JP5502262B2 - Method and apparatus for obtaining geodetic distance data - Google Patents

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Abstract

A method for extracting geodetic/geodesic distance/ranging information with a signal generator for generating at least two HF modulation frequencies in the MHz- up to the GHz-range requires a system with a system-input, an optical radiation source, at least one target object (3a, 3b) and a receiver (4'') with a system output and an analysis/evaluating electronics. Initially, the system is excited with at least two, especially synthetic, modulation frequencies, preferably a group of discrete modulation frequencies, by applying at least one excitation signal at the system input. At least one system response is picked up at the system output and distance /ranging information is derived from the signal shape of the system response by the analysis electronics. Independent claims are included for (a) a device for carrying out the method, for (b) a geodetic/geodesic measurement instrument, especially a theodolite, for (c) a scanner for three-dimensional image-scanning and for (d) use of the device.

Description

この発明は、請求項1、23の各々の前提部に記載した測地距離データを得るための方法及び装置、請求項29に記載した測地器、請求項31に記載したスキャナ、及び、請求項32〜34に記載したその装置の利用方法に関する。   The present invention provides a method and apparatus for obtaining geodetic distance data described in the premise of claims 1 and 23, a geodetic instrument described in claim 29, a scanner described in claim 31, and a claim 32. To the method of using the device described in.

距離測定は、光システムに関する多くの解決策が使用される技術作業である。タコメータは、測地と建設産業のための測量作業用の古典的測量器具である。最近、リフレクタ無しの遠隔測定装置(EDM)を具えるタコメータの提供が増加している。   Distance measurement is a technical task in which many solutions for optical systems are used. The tachometer is a classic surveying instrument for surveying work for the geodetic and construction industries. Recently, there has been an increase in the provision of tachometers with a reflectorless telemetry device (EDM).

最初は、測量される範囲は60mであったが、機器の使用の増加により、測量範囲の関する要求は着々と増加している。今日では、測量機器は、リフレクタ無しに200mまで測れる。   Initially, the surveyed range was 60 m, but the demand for surveying range is steadily increasing due to the increased use of equipment. Today, surveying instruments can measure up to 200m without reflectors.

伝統的遠隔測定装置は、主に、飛行時間法又は位相差法の原理による。mmの範囲の高精度の測量が要求され、今日、大抵の機器は位相測定原理に従ったEDMが設けられている。又、これらは、寸法がより小さいので、測距経緯儀の場合に便利である。   Traditional telemetry devices are mainly based on the principle of time of flight or phase contrast. High-precision surveying in the mm range is required, and today most instruments are equipped with EDM according to the phase measurement principle. They are also useful for distance measuring theodolites because of their smaller dimensions.

しかし、反射しない目標物の低光量信号のために、位相計は測定範囲が小さく、位相計による300m以上の距離に関する反射鏡無しの測量はほぼ不可能である。一方、測距時間計はその距離範囲では位相計に比べて有利である。何故ならば、反射鏡無しの目標物の500mを越える距離の測定が容易に可能である。しかし、測距時間計は、1mmの絶対測量精度が略達成できない欠点がある。測距のための種々の方法と装置の概要が、1999年発行の距離及び方向の電子測定法(M. Joeckel及びM. Stober、第4版、Verlag Konrad Wittwer及びStuttgartによる)に記載されている。   However, due to the low-light signal of the target that does not reflect, the phase meter has a small measurement range, and it is almost impossible to measure without a reflector with respect to a distance of 300 m or more by the phase meter. On the other hand, the distance measuring time meter is more advantageous than the phase meter in the distance range. This is because it is easy to measure a distance exceeding 500 m of a target without a reflector. However, the distance measuring time meter has a drawback that the absolute measurement accuracy of 1 mm cannot be substantially achieved. An overview of the various methods and devices for ranging is described in the 1999 distance and direction electronic measurement method (M. Joeckel and M. Stober, 4th edition, by Verlag Konrad Wittwer and Stuttgart). .

計測ステーションにおけるリフレクタ無し遠隔測定装置の導入と使用の拡大により、ユーザーは、これらのリフレクタ無しの装置を使用で主として生じる別の問題にしばしば遭遇する。特に、比較的大きい測定距離、特別な目標物、又は特別は背景地形の場合に、遠隔測定装置から発射される測定ビームは、二つの目標に同時にあたることがある。この問題の一つの例は、例えば、テーブルの縁を測距する場合である。この縁が測定される時に、ビームのある部分は、測定すべき縁に当るが、ビームの他部分は、目標物を通過し、後又は床にある他の対象物を照らす。更に、別の例は、反射が弱い目標に近くに反射物がある場合であり、散逸した光線がその反射物を介して、遠隔測定装置ユニットの受信器に入る。それ故、従来の位相計では、目標物のどれとも対応しない誤った距離を算出することに至る。特に、リフレクタ無し距離測定が長い距離に使用されると、実際の測量目標物と機器の間にある意図しない対象物を測定してしまう可能性が増加する。他の典型的な場合は、木々又は編みフェンスを通して距離測定する場合である。リフレクタ無しを適用すると、その障害物の散逸光の周波数により、重大な誤測定に至り得る。それ故、複数の対象物が同時に測定光ビームが当たる状況で、正しい距離を推算することが検討されている。   With the expansion of the introduction and use of reflectorless telemetry devices in measurement stations, users often encounter another problem primarily arising from the use of these reflectorless devices. In particular, in the case of relatively large measurement distances, special targets, or in particular background terrain, the measurement beam emitted from the telemetry device may hit two targets simultaneously. One example of this problem is, for example, when measuring the edge of a table. When this edge is measured, some part of the beam hits the edge to be measured, while the other part of the beam passes through the target and illuminates other objects behind or on the floor. Yet another example is where there is a reflector near a weakly reflecting target, and the scattered light enters the receiver of the telemetry unit via the reflector. Therefore, the conventional phase meter leads to calculation of an incorrect distance that does not correspond to any of the targets. In particular, when reflectorless distance measurement is used for long distances, the possibility of measuring an unintended object between the actual survey target and the instrument increases. Another typical case is when measuring distance through trees or knitted fences. Applying no reflector can lead to serious mismeasurements due to the frequency of the dissipated light of the obstacle. Therefore, it has been studied to estimate a correct distance in a situation where a plurality of objects are simultaneously irradiated with a measurement light beam.

自然物に反射散逸する測定光は、著しく弱く、特に長い距離の場合はそうである。これに関連して、困難な場合は、雨、霧、降雪における測距であり、空中の降る粒子が、柔らかい面を持った付加目標物として作用してしまう。降量の大きさにより、その干渉が実際の距離測定に影響する。例えば、豪雨の場合には、誤測定値を除くことができない。   The measuring light reflected and dissipated by natural objects is extremely weak, especially at long distances. In this connection, a difficult case is distance measurement in rain, fog, and snowfall, and particles falling in the air act as an additional target with a soft surface. Depending on the amount of rainfall, the interference affects the actual distance measurement. For example, in the case of heavy rain, erroneous measurement values cannot be excluded.

又、位相計は、複数の目標を正確に測定できず、更に困難を生じる。受信信号では、複数目標の位相が、重畳されて分離できず、位相差法で、各目標物の成分を明らかに分離することができない。特に、霧、雨、降雪の場合に、誤測定の可能性がある。   In addition, the phase meter cannot accurately measure a plurality of targets, resulting in further difficulty. In the received signal, phases of a plurality of targets are superimposed and cannot be separated, and components of each target cannot be clearly separated by the phase difference method. In particular, in the case of fog, rain, and snowfall, there is a possibility of erroneous measurement.

飛行時間法(測距時間法)に基づいた遠隔測定装置は、最も強力な遠隔測定装置に属する。リフレクタ無し目標物の範囲は、特に優れていて、複数目標を原理的に測定可能である。一方、この測距方法では、その主欠点の一つは、距離測定の精度が悪く、装置が複雑であることである。最近の測距時間計も又、豪雨又はダストの掛った空気中では、不良である。この一つの理由は、パルス信号の低周波数成分が適用されるが、これらは、ダスト又は浮遊粒子により、確実に不正確となるからである。   Telemetry devices based on the time-of-flight method (ranging time method) belong to the most powerful telemetry devices. The range of unreflected targets is particularly excellent, and multiple targets can be measured in principle. On the other hand, one of the main drawbacks of this distance measuring method is that the accuracy of distance measurement is poor and the apparatus is complicated. Recent ranging time meters are also poor in heavy rain or dusty air. One reason for this is that the low frequency components of the pulse signal are applied, which are reliably inaccurate by dust or airborne particles.

この測距時間法の別の欠点は、レーザ源により生じる。良品質のビームを生じるパルスレーザ器は、例えば、ソリッドステート又はマイクロチップレーザ器であって、高価であり、制御と電力消費に関して複雑である。半導体レーザは経済的であるが、三次元の可干渉性が減少又は欠けていて、現在では、ビーム品質において、不適である。最近において、小さい測定点のレーザビームを提供するダイオードによる測距時間計は無い。それ故、例えば、目的物の縁等の外郭への距離は、半導体レーザに基づいた遠隔測定装置を使用しては、正確に測定できない。   Another disadvantage of this ranging time method is caused by the laser source. Pulse laser devices that produce good quality beams are, for example, solid state or microchip laser devices that are expensive and complex in terms of control and power consumption. Although semiconductor lasers are economical, their three-dimensional coherence is reduced or lacking and is currently unsuitable for beam quality. Recently, there are no diode range finders that provide a laser beam at a small measurement point. Therefore, for example, the distance to the outline such as the edge of the object cannot be measured accurately using a telemetry device based on a semiconductor laser.

リフレクタ無し目標物の距離範囲と測定の不充分な精度は、現在知られている全ての測量原理の基本的な欠点である。   The distance range of the target without reflector and the insufficient accuracy of the measurement are fundamental drawbacks of all currently known surveying principles.

更に別の欠点は、複数目標に対する能力が技術的に実現していないことである。地理測量では、複数目標を確実に区別し、異なった目標を確実に測距できる遠隔測定装置は知られていない。   Yet another disadvantage is that the capability for multiple goals is not technically realized. In geogrammetry, there is no known telemetry device that can reliably distinguish between multiple targets and reliably measure different targets.

それ故、この発明の目的は、新規な測距方法と、その方法に適切な装置とを提供し、長い距離に関し、それにより、リフレクタ無し測距が可能で、且つ、mm単位の高精度の測定を可能にする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a novel distance measuring method and a device suitable for the method, and for long distances, thereby enabling reflectorless distance measurement and high accuracy in mm. Enable measurement.

この発明の別の目的は、複数目標物を正確に測距可能にすることである。   Another object of the present invention is to enable accurate ranging of multiple targets.

この発明の更に別の目的は、例えばダスト又は煙のような、一般的な大気影響物の影響を減らして、正確な測距がこれらに影響されないようにすることである。   Yet another object of the present invention is to reduce the effects of common atmospheric influences, such as dust or smoke, so that accurate ranging is not affected by them.

更に別の目的又は遭遇する必要性は、秒単位での短測距時間を可能とし、例えば、霧、雨、又は降雪等の特別な気象状況に対応でき、経緯儀等の測距システムに組み込みが可能なことである。この組み込み易さは、小型化又は小型構造、モジュールデザイン、省エネルギー消費に依る。   Yet another purpose or need to be met allows for short ranging times in seconds and can accommodate special weather conditions such as fog, rain, or snowfall, and is incorporated into ranging systems such as theodolites Is possible. This ease of installation depends on miniaturization or structure, module design, and energy saving consumption.

これらの目的は、この発明により、即ち、請求項1、23記載の特徴と従属請求項の記載の特徴により達成され、解決策が展開され得る。   These objects are achieved by the present invention, i.e. by the features of claims 1 and 23 and the features of the dependent claims, and solutions can be developed.

その解決策は、“システム解析”の原理による電子光学遠隔測定装置のコンセプトに基づいている。それは、純粋な測距時間計でも、純粋な位相計でもない。測距システムは、光信号を発する要素と、少なくとも一つの目標の測距距離と、オプションとしてデバイス内での基準距離と、その受信する要素とを具える。このシステムは、システム入力と出力として機能する各インターフェイスを介して、各ケースに提供される。測定距離と目標物と共に、送受信ユニットからなる遠隔測定装置は、光電子信号の伝送システムとして理解される。簡明のために、このシステムは、以後、単にシステムと呼ぶ。このように、目標物はシステムの一部である。このシステムは、この発明の方法により分析されて、特に、個々の目標へに測距の数とその測距時間が決定される。概してシステムが特定化されて、測定ビームが向かう目標物への測距時間の測定に注意が集中される。   The solution is based on the concept of an electro-optic telemetry device according to the principle of “system analysis”. It is not a pure ranging meter or a pure phase meter. The ranging system includes an element that emits an optical signal, a ranging distance of at least one target, optionally a reference distance within the device, and an element that receives the element. This system is provided to each case through each interface that functions as a system input and output. A telemetry device consisting of a transmission / reception unit together with a measurement distance and a target is understood as a transmission system for optoelectronic signals. For simplicity, this system is hereinafter simply referred to as the system. Thus, the target is part of the system. This system is analyzed by the method of the present invention, and in particular, the number of distance measurements and their distance times for each target are determined. In general, the system is specified and attention is focused on measuring the ranging time to the target to which the measurement beam is directed.

本発明による方法のより高い感度は、種々の要因による。第一に、変調周波数を特別に選択して、励起信号は発信され受信され、その信号波形は走査され、推算される。その信号波形は、例えば、位相計の場合のように、一連のディラックパルスで良く、正弦波励磁信号でも良い。第二に、この発明による方法では、全信号情報は、距離を決めるために評価される。これは、位相差法の位相差の利用とは相違し、飛行時間法の測距時間とも相違する。本発明による方法は、その推算では、全ての順に得た測定データを考慮する。例えば、全ての測定及びモデル情報は、統合されて、コスト関数に組入れられる。このように、位相測定は実施されずに、ある時間域又は周波数域の信号波形だけでなく、信号増幅及びノイズが、本発明に従って計測され、推算に組入れられる。信号の評価は、好ましくは、最大公算法(最適推算)に基づいて、コスト関数により実施される。最近の位相計とは違って、励起信号の変調周波数は、特別な方法で、柔軟性のある切り替え可能な周波数シンセサイザにより、目標物の数とそれらの間の間隔の関数として。変化又は選別され得る。そのシステム解析は、最適状態の測定データセットを使用して、高精度に実施できる。例えば、複数の目標物と遠隔測定装置デバイス間の反射による干渉を減少し、複数目標の場合の干渉信号の重なりを迂回することができる。   The higher sensitivity of the method according to the invention depends on various factors. First, with a special selection of modulation frequency, the excitation signal is transmitted and received, and its signal waveform is scanned and estimated. The signal waveform may be a series of Dirac pulses as in a phase meter, for example, or a sine wave excitation signal. Second, in the method according to the invention, the total signal information is evaluated to determine the distance. This is different from the use of the phase difference in the phase difference method, and is also different from the distance measurement time in the time-of-flight method. The method according to the invention takes into account the measurement data obtained in all orders in its estimation. For example, all measurements and model information are combined and incorporated into a cost function. Thus, phase measurement is not performed, but not only signal waveforms in a certain time domain or frequency domain, but also signal amplification and noise are measured and incorporated into the estimation. The evaluation of the signal is preferably performed by a cost function based on the maximum likelihood method (optimum estimation). Unlike modern phase meters, the modulation frequency of the excitation signal in a special way, as a function of the number of targets and the spacing between them, by means of a flexible switchable frequency synthesizer. It can be changed or sorted. The system analysis can be performed with high accuracy using the measurement data set in the optimum state. For example, interference due to reflections between multiple targets and telemetry device can be reduced, and interference signal overlap for multiple targets can be bypassed.

本発明によるシステムの特徴は、従来の位相計の場合より著しく多い変調周波数の信号に基づいていることである。多数の変調周波数の発生は、例えば、DDSシンセサイザ(直接ディジタルシンセサイザ)又は、フラクショナルNシンセサイザなどの他の最近の”周波数ホッピングデバイス”による。この発明によれば、信号の発生は、例えば、直接合成により実施されて、内部メモリに記憶された信号波形は周期的に繰り返し順にディジタル・アナログ変換器に送られ、出力される(任意信号発生器)。   A feature of the system according to the invention is that it is based on a signal with a significantly higher modulation frequency than in a conventional phase meter. The generation of multiple modulation frequencies is due to other recent "frequency hopping devices" such as, for example, DDS synthesizers (direct digital synthesizers) or fractional N synthesizers. According to the present invention, the signal is generated by, for example, direct synthesis, and the signal waveform stored in the internal memory is periodically sent to the digital-to-analog converter in a repeated order and output (arbitrary signal generation). vessel).

評価は、各変調周波数で別々に、又は、複数変調周波数で統合されて実施される。オプションとして、別の評価が、例えば副最適推算として、良好に受信された信号について適切に実施される。全ての信号データ、共通モデルに組み込まれて、パラメータ評価に使用され、特に測距時間に関し、例えば、最適推算法に使用される。   The evaluation is performed separately at each modulation frequency or integrated at a plurality of modulation frequencies. Optionally, another evaluation is suitably performed on a well received signal, for example as a sub-optimal estimate. All signal data is incorporated into a common model and used for parameter evaluation, and particularly with respect to distance measurement time, for example, an optimal estimation method.

好ましくは、MHz〜GHzの範囲の高変調周波数だけが発信されて、そのシステムは、堅い目標の測距時間を選択し、雨、霧、雪等の柔らかい対象物には反応しない。高周波数使用の別に有利な点は、測定距離精度が更に向上することである。特別な高周波数の場合は、その周波数は、最終的なパラメータの決定に貢献する。これは、従来の位相計と相違する。このシステムの優位性は、測距時間計に対してもあり、測距時間計では、統計平均値は1000倍も少ないパルス数を使用して、小さいパルス繰返し率により、測定精度が低い。   Preferably, only high modulation frequencies in the range of MHz to GHz are transmitted and the system selects a rigid target ranging time and does not react to soft objects such as rain, fog, snow and the like. Another advantage of using a high frequency is that the measurement distance accuracy is further improved. In the case of a special high frequency, that frequency contributes to the final parameter determination. This is different from the conventional phase meter. The advantage of this system is also over a distance meter, which uses a statistical average of 1000 times the number of pulses and has a small pulse repetition rate, resulting in low measurement accuracy.

全変調周波数群の単又は複数セットを選択することは、システムの解析結果の品質に影響がある。例えば、特に、長い目標距離の場合に、信号の限界能力により低い受信信号となる時に、信頼できる距離測定は、周波数を最適に選択することにより達成される。全信号の一又は複数のセットを選択することは、特別に解析される最大範囲を決める。全ての周波数群が、柔軟に処理されて測定作業に利用され、例えばDDSシンセザイザーを使用して、遠隔測定デバイスと複数の目標物間の反射による干渉影響は、複数目標の場合の好ましくない信号の重畳影響と共に、取り除かれる。   Selecting one or more sets of all modulation frequency groups affects the quality of the analysis results of the system. For example, reliable distance measurements can be achieved by optimally selecting the frequency, especially when the target capacity is lower, especially in the case of long target distances. Selecting one or more sets of all signals determines the maximum range that is specially analyzed. All frequency groups are flexibly processed and used for measurement tasks, for example using a DDS synthesizer, the interference effects due to reflections between the telemetry device and multiple targets can be an undesirable signal for multiple targets. Removed with superposition effect.

ディジタル合成信号の強さは、柔軟性のある周波数を含むコンセプト、従って、全周波数群を、デバイスと測定距離を含む距離測定システムに最適に使用することに影響される。  The strength of the digital composite signal is influenced by the concept of including flexible frequencies, and thus the optimal use of the entire frequency group for a distance measurement system including the device and measurement distance.

本発明による測距方法又はデバイスにより、位相計とは相違して、例えば、窓枠を介しての測定ように、千鳥配置の目標を測定することが可能である。遠隔測定装置は、光ビーム内にある複数の目標の距離を同時に測定できる。最適周波数のコンセプトはこの場合は、一つの目標の場合とは異なったコンセプトである。   With the distance measuring method or device according to the invention, it is possible to measure a staggered target, for example as measured via a window frame, unlike a phase meter. The telemetry device can simultaneously measure the distances of multiple targets in the light beam. The concept of optimum frequency is in this case a different concept from that of a single target.

本発明による距離測定方法は、複数目標に対応できる。また、内部基準光路の距離を測定可能である。内部基準光路は、第一目標物である。更に他の目標物の距離は、この基準目標に対して測定される。距離の測定は、このように温度変化と更に分散影響から自由である。その結果、複数目標への対応能力は、内部基準光路の同時較正についても有効であって、基準距離への選択的切換用又は第二基準受信器用のデバイスによる今まで必要であったコストが、除かれる。   The distance measuring method according to the present invention can cope with a plurality of targets. In addition, the distance of the internal reference optical path can be measured. The internal reference optical path is the first target. Still other target distances are measured against this reference target. The distance measurement is thus free from temperature changes and further dispersion effects. As a result, the ability to cope with multiple targets is also effective for simultaneous calibration of the internal reference optical path, and the cost previously required by the device for selective switching to the reference distance or for the second reference receiver, Excluded.

本発明により構築される演算システムは、遠隔測定装置ユニットと、関係する目標物と、その目標物への距離とを含む。このシステムは通信技術の背景により理解され、線形伝送システムであり、そのシステムの動作は、所謂パルス応答h(t)の仕様により理解される。   A computing system constructed in accordance with the present invention includes a telemetry unit, an associated target, and a distance to the target. This system is understood from the background of communication technology and is a linear transmission system, the operation of which is understood by the specification of the so-called pulse response h (t).

例えば、システムがディラックパルスにより励起されると、システムが応答する。パルス応答のフーリエ変換は、伝達関数H(ω)又は複雑な周波数な応答を示し、これは周波数空間又は周波数範囲又は周波数領域内で、そのシステムを表現している。   For example, when the system is excited by a Dirac pulse, the system responds. The Fourier transform of the pulse response exhibits a transfer function H (ω) or a complex frequency response that represents the system in frequency space or frequency range or frequency domain.

そのシステムは、一般的に因果信号により励起されるので、フーリエ変換ではなく、収束に関してより安定している一般的なラプラス変換を使用可能である。   Since the system is generally excited by a causal signal, it is possible to use a general Laplace transform that is more stable in terms of convergence rather than a Fourier transform.

しかし、周期的励起信号の場合には、フーリエ変換(FT)が一般的には十分と考えられる。システムの概して複雑な伝達関数H(ω)は以下のように定義される。

Figure 0005502262
However, in the case of periodic excitation signals, Fourier transform (FT) is generally considered sufficient. The generally complex transfer function H (ω) of the system is defined as:
Figure 0005502262

システムを構成する伝達関数は、各フーリエ変換された信号y(t)とフーリエ変換された励起信号s(t)との比である。
FT:y(t)→Y(ω)
FT:s(t)→S(ω)
The transfer function constituting the system is the ratio between each Fourier transformed signal y (t) and the Fourier transformed excitation signal s (t).
FT: y (t) → Y (ω)
FT: s (t) → S (ω)

システムアナライザーの複合周波数応答は次の式で表される。

Figure 0005502262
The complex frequency response of the system analyzer is given by
Figure 0005502262

ωは周波数の角度であり、iは虚数単位であり、周波数fに、ω=2・π・fとしてリンクしている。更に、dはビームが向かう目標物の数であり、ρkは反射率、tkは距離に比例する信号測距時間である。測定距離は、式Dk=c/(2・tk)により計算され、cは光の速度である。 ω is an angle of frequency, i is an imaginary unit, and is linked to frequency f as ω = 2 · π · f. Further, d is the number of targets to which the beam is directed, ρ k is the reflectance, and t k is the signal ranging time proportional to the distance. The measurement distance is calculated by the formula D k = c / (2 · t k ), where c is the speed of light.

周波数は、そのシステムにより、増幅、減衰、位相シフトが実施される。伝達関数は、物理的作用が基本的に相違する二つの項からなり、有理比と、線形パラメータとしての周波数の角度の指数関数から得られる合計とである。   The frequency is amplified, attenuated, and phase shifted by the system. The transfer function consists of two terms whose physical effects are basically different, and is the rational ratio and the sum obtained from the exponential function of the frequency angle as a linear parameter.

第一項(比)は、所謂分散影響を示し、レーザダイオードと、受信器ダイオードと、フィルタと等により生じる。これらは、そのシステムの入力から出力において、振幅と位相を変化させる。   The first term (ratio) shows a so-called dispersion effect and is caused by a laser diode, a receiver diode, a filter, and the like. These change the amplitude and phase from the input to the output of the system.

第二項は、指数関数の合計からなり、遠隔測定装置ユニットと各目標物との間の得られた遅れ時間又は測距時間を示す。遅れ時間の算定は、各目標物の距離の測定値に対応する。   The second term consists of the sum of the exponential function and indicates the obtained delay time or ranging time between the telemetry unit and each target. The calculation of the delay time corresponds to the measured distance of each target.

高精度でそのシステムの測距時間又は遅れ時間を測定可能とするために、比として表されるその第一項は、計算で除かれ、又はそのシステムを較正測定して除く必要がある。   In order to be able to measure the ranging or lag time of the system with high accuracy, the first term expressed as a ratio needs to be removed by calculation or calibrated to the system.

これは、例えば、納入に先立って、製作中又は次のサイクルで、製作所でのシステム較正により確実にされる。周波数による測距時間の遅延を増加する評価困難な経年変化の場合には、現場での定期的システム較正、又は、実際の距離測定の間またはその直前の較正が有利である。   This can be ensured, for example, by manufacturing system calibration during production or in the next cycle prior to delivery. In the case of difficult-to-evaluate aging that increases the delay in distance measurement time due to frequency, periodic system calibration in the field or calibration during or immediately before the actual distance measurement is advantageous.

そのシステムの較正は、好ましくは、距離測定に関係する時間に実施される。このために、測定光が既知長さの内部光路に渡って通される。その結果、伝達関数の第一項のデータが使用される励起周波数において決定される。   The calibration of the system is preferably performed at a time related to the distance measurement. For this purpose, the measuring light is passed over an internal optical path of known length. As a result, the first term data of the transfer function is determined at the excitation frequency used.

実際の距離測定は、順じ又は同時に実施される。測定光は、外部の目標物に送られる。システムの外部測距は、好ましくは、内部光路の場合と同じ周波数で、実施され、即ち伝達関数を得る。一方、従来技術では、複雑な解決策が、即ち、切換可能基準距離又は送受信器の二重デザインが、知られているだけである。例えば、EP0738899は可変基準距離を開示し、EP0932835は二つの受信器の使用を記載し、DE4002356は二つの切換可能トランスミッタの使用を開示している。   The actual distance measurement is performed sequentially or simultaneously. Measurement light is sent to an external target. The external ranging of the system is preferably carried out at the same frequency as in the internal optical path, i.e. obtaining a transfer function. On the other hand, in the prior art, only complex solutions are known, i.e. a switchable reference distance or a duplex design of the transceiver. For example, EP0738899 discloses a variable reference distance, EP0932835 describes the use of two receivers and DE400002356 discloses the use of two switchable transmitters.

本発明に従って、測定は、内部光路により実施され、又、外部光路により実施される。何故ならば、この方法は、複数目標を高精度で推算し、内部基準距離は複数目標の一番目として計測される。これにより、そのシステムは、従来技術の方策と相違して、二重の要素と切換可能な基準距離を設ける必要がない。   In accordance with the present invention, the measurement is performed by the internal optical path and by the external optical path. This is because this method estimates multiple targets with high accuracy, and the internal reference distance is measured as the first of the multiple targets. Thus, the system does not need to provide a double element and a switchable reference distance, unlike the prior art measures.

本発明に従って、このシステムの較正のための技術的演算では、ある量の周波数を選択した場合に(規則的又は不規則的の周波数を選択)、特に、内部光路に渡って、第二外部測定光路に渡って、伝達関数H(ω)を設定する。   In accordance with the present invention, the technical operation for calibrating this system is that when a certain amount of frequency is selected (regular or irregular frequency selected), in particular the second external measurement across the internal optical path. A transfer function H (ω) is set along the optical path.

このシステムの較正のために、演算式(1)は、極座標又は指数表現で、十分に表される。

Figure 0005502262
For calibration of this system, equation (1) is well represented in polar coordinates or exponential representation.
Figure 0005502262

そのシステムの較正により、そのシステムの振幅H(ω) と固有値tdisp(ω)は、 測定信号に使用される周波数において決められる。これらの周波数は、目標物に対する実際の距離測定で使用するものである。 Due to the calibration of the system, the amplitude H (ω) and eigenvalue t disp (ω) of the system are determined at the frequency used for the measurement signal. These frequencies are used for actual distance measurements to the target.

それ故、とりわけ、測定周波数で、振幅又は減衰、各遅れ時間の補正が考慮される。これらの好ましくない影響は、伝達関数の最初の二項に含まれる。   Therefore, among other things, at the measurement frequency, amplitude or attenuation, correction of each delay time is taken into account. These undesirable effects are included in the first two terms of the transfer function.

伝達関数の演算が、例えば、分離フーリエ変換(DFT)により、実行される。受信信号は、その時間内で、アナログ−ディジタル変換器(ADC)により走査され、その後、測定された信号に含まれる周波数と複合振幅Y(ω)とが、DFTにより算出され、そのシステムの振幅H(ω) と固有値tdisp(ω)が得られる。 The calculation of the transfer function is performed by, for example, a separation Fourier transform (DFT). The received signal is scanned within that time by an analog-to-digital converter (ADC), after which the frequency contained in the measured signal and the composite amplitude Y (ω) are calculated by DFT to determine the amplitude of the system. H (ω) and eigenvalue t disp (ω) are obtained.

内部及び外部測定路について、周波数に関係する振幅、位相、ノイズを比較することによって、伝達関数を補正することができて、H(ω)又はH(f)に関し、遅れ時間kの項だけが、その指数式で未知である。   For internal and external measurement paths, the transfer function can be corrected by comparing the amplitude, phase and noise related to the frequency, and only the term of the delay time k with respect to H (ω) or H (f). Is unknown in its exponential formula.

それ故、較正データの伝達関数として、目標が一つの場合に、

Figure 0005502262
Therefore, as a transfer function of calibration data,
Figure 0005502262

複数の目標dの場合に、

Figure 0005502262
For multiple goals d,
Figure 0005502262

測定された目標物について較正された測距時間は、簡明なように、tkで表される。 The ranging time calibrated for the measured target is expressed by t k for simplicity.

そのシステム較正は、その時間領域で直接実施される。伝達関数H(f)に関し、そのシステムの測距時間は、種々の励起信号に応じて内部光路を参照してきめられる。   The system calibration is performed directly in that time domain. With respect to the transfer function H (f), the ranging time of the system is determined by referring to the internal optical path in response to various excitation signals.

最大公算推算法の原理でシステムを較正して、測定された全てのシステム応答値を単一のコスト関数に統合して、目標物に関する較正された距離測定データを推算する。   The system is calibrated on the principle of maximum likelihood estimation, and all measured system response values are integrated into a single cost function to estimate calibrated distance measurement data for the target.

全連続スペクトルを知って、そのシステムの応答パルスは、逆フーリエ変換(IFT)により算出され得る。

Figure 0005502262
Knowing the full continuous spectrum, the response pulse of the system can be calculated by inverse Fourier transform (IFT).
Figure 0005502262

H(f)が数式3に対応し、全周波数で分っていると積分することが可能であり、応答パルスは、
目標が一つの場合は、

Figure 0005502262
If H (f) corresponds to Equation 3 and is known at all frequencies, it can be integrated, and the response pulse is
If you have one goal,
Figure 0005502262

複数目標物dの場合は、

Figure 0005502262
For multiple targets d,
Figure 0005502262

応答パルスが、測定ビームにおいて、目標物dの全距離データtkを含むことは明らかである。 It is clear that the response pulse contains the total distance data t k of the target d in the measurement beam.

変調周波数で直接測定していても、ヘテロダイン又はホモダイン測定が実施されれば、数式3、4は有効である。高周波の受信信号は、高周波数ミクサー信号と混合されて、低周波電子信号となる。その低周波信号を推算することにより、実際の高周波受信信号の振幅と位相が決められる。   Even if direct measurement is performed at the modulation frequency, Equations 3 and 4 are valid if heterodyne or homodyne measurement is performed. The high frequency received signal is mixed with the high frequency mixer signal to become a low frequency electronic signal. By estimating the low frequency signal, the amplitude and phase of the actual high frequency received signal can be determined.

本発明による遠隔測定装置デバイスの具体例では、そのシステムの複合スペクトルH(f)の全てについては測定はされず、測定又は伝送された信号は、全システム周波数の一部だけにについてそのシステムを励起し、普通は、測定・送信周波数の一群だけである。スペクトラムH(f)は、それ故、全ての周波数ではなく、その部分が使用される。   In the embodiment of the telemetry device according to the present invention, not all of the complex spectrum H (f) of the system is measured, and the measured or transmitted signal is transmitted to the system for only a part of the total system frequency. Excited, usually only a group of measurement and transmission frequencies. The spectrum H (f) is therefore not part of all frequencies but part of it.

更に、IFTにより、パルス応答h(t)を時間信号として再構築することは、直接的には可能でない。   Furthermore, it is not possible directly by IFT to reconstruct the pulse response h (t) as a time signal.

数式3、4内の測距時間tkのパラメータ計算は、理論的に問題がある。 The parameter calculation of the distance measurement time t k in Equations 3 and 4 is theoretically problematic.

種々の推算方式が測距時間と距離の算出に適している。各方式における最適方法の選択は、システムに状態の特徴に依る。例えば、システムの特徴は、目標の数、目標への距離、目標の反射率、信号の振幅、ノイズレベルの大きさ等である。   Various estimation methods are suitable for calculating distance measurement time and distance. The selection of the optimal method in each system depends on the characteristics of the state in the system. For example, the characteristics of the system are the number of targets, the distance to the target, the reflectance of the target, the amplitude of the signal, the magnitude of the noise level, and the like.

距離データの一部を得るために、全信号形状y(t)又はその信号形状の一部だけを使用することができ、その一部とは、例えば、次の量である。即ち、信号形状y(t)の最大値、曲線y(t)において、第一調和関数または領域、又は、1/2最大振幅値の信号パルス領域である。統計推算では、信号形状y(t)のRMSノイズは信号形状の一部として解釈される。   To obtain a part of the distance data, the entire signal shape y (t) or just a part of the signal shape can be used, for example the following quantity: That is, in the maximum value of the signal shape y (t) and the curve y (t), it is the first harmonic function or region, or the signal pulse region of 1/2 maximum amplitude value. In statistical estimation, the RMS noise of the signal shape y (t) is interpreted as part of the signal shape.

距離データの主部分は、時間の関数である信号形状として構成される。例えば、複数のシステム応答y(t)は、時間の関数である励起信号s(t)に関して、すれていて、特に、複数目標に関し、システムにおける時間関数としての各反射パルスは、互いずれている。瞬時分析においては、時間関数としての単又は複数の信号パルス重心位置は、時間関数としての信号形状の特徴として解釈される。   The main part of the distance data is configured as a signal shape that is a function of time. For example, the multiple system responses y (t) are known with respect to the excitation signal s (t), which is a function of time, and in particular with respect to multiple targets, each reflected pulse as a time function in the system is alternating. . In the instantaneous analysis, the signal pulse centroid position as a time function is interpreted as a feature of the signal shape as a time function.

以下に、時間又は周波数領域での、幾つかの推算例が例として非限定的に記載されている。   In the following, some estimation examples in the time or frequency domain are described as non-limiting examples.

距離算定の第一の方法は、時間域での推算である。例えば、短時間での、周期的パルスの測距時間は、各パルスで順次計測されて、距離は独特な方法で、高精度で計測される。   The first method of distance calculation is estimation in the time domain. For example, the distance measurement time of a periodic pulse in a short time is sequentially measured for each pulse, and the distance is measured with high accuracy by a unique method.

ある時間範囲での距離算定では、パルス繰り返し周端数を最適に選択することが重要である。これらは選択されて、複数目標から反射された信号は、異なった時間に受信器に到達する。その結果、信号パルスが重なることの面倒がなく、各信号パルスは各目標物に統一される。   In calculating the distance in a certain time range, it is important to optimally select the pulse repetition peripheral number. These are selected so that signals reflected from multiple targets arrive at the receiver at different times. As a result, there is no hassle of overlapping signal pulses, and each signal pulse is unified with each target.

この発明により周波数シンセサイザを利用して、最適周波数が選択される。推算方法の一例が、図5aに示されている。各励起信号s(t)は、応答信号y(t)を生じる。内部光路により較正された信号応答h(t)が信号から得られる。全ての励起信号s(t)に関し、これらの較正された信号応答h(t)は、互いに時間的にずらされて、例えば、クロス相関演算または、重心の計算により、関係シフト時間Δtjkを算出することができる。これらのシフト時間Δtjkは、測定距離を運ばれるパルスの数に基づく情報を提供する(独特な方法)。 According to the present invention, an optimum frequency is selected using a frequency synthesizer. An example of the estimation method is shown in FIG. 5a. Each excitation signal s (t) results in a response signal y (t). A signal response h (t) calibrated by the internal optical path is obtained from the signal. For all excitation signals s (t), these calibrated signal responses h (t) are shifted in time with respect to each other to calculate the relationship shift time Δt jk by, for example, cross-correlation calculation or centroid calculation. can do. These shift times Δt jk provide information based on the number of pulses carried the measurement distance (a unique method).

更なる工程で、全励起信号sk(t)の時間をシフトした信号応答hk(t−Δtjk)の合計から形成された時間信号z(t)の構築が可能である。例えば、クロス相関演算又は重心の演算により、z(t)から測距時間tnが最終的に算定される。 In a further step, it is possible to construct a time signal z (t) formed from the sum of the time-shifted signal responses h k (t−Δt jk ) of the total excitation signal s k (t). For example, the distance measurement time tn is finally calculated from z (t) by cross correlation calculation or center of gravity calculation.

更に別の方法は、分析変調周波数で、数式3による伝達関数H(f)の特別なモデルと、測定点H(fk)との間の、非線形均衡演算である。 Yet another method is a non-linear balance operation between the special model of the transfer function H (f) according to Equation 3 and the measurement point H (f k ) at the analytical modulation frequency.

距離推算の別の方法は、最大公算推算法の原理に基づいている。計測されたスペクトルデータはコスト関数に入力され、この関数の全体の最大又は最小値により、目標物dの距離が得られる。   Another method of distance estimation is based on the principle of maximum likelihood estimation. The measured spectral data is input to the cost function, and the distance of the target d is obtained by the maximum or minimum value of the entire function.

ある特別な場合は、最大公算推算法は、全体最大値を有する簡明な一次元コスト関数である。複合スペクトル分離測定データを適切に選択して、正確な信頼性のある距離推算が同様に可能である他の方法が、その特別な場合に提供される。例えば、分離選別周波数の逆フーリエ変換は、最大公算法の近似値として解釈され得る。   In one special case, the maximum likelihood estimator is a simple one-dimensional cost function with an overall maximum. Other methods are provided in that special case where the composite spectral separation measurement data is properly selected and accurate and reliable distance estimation is possible as well. For example, the inverse Fourier transform of the separation and selection frequency can be interpreted as a maximum likelihood approximation.

目標が一つの場合は、次の式が適用される。

Figure 0005502262
For a single target, the following formula applies:
Figure 0005502262

複素関数z(t)は、分離間数スペクトルの、時間信号に対応する、全ての数Nの測定複合振幅H(fk)から直接得られる。その関数は、そのシステム解析で補正された全データを含んでいる。その時間関数Re(z(t))の全体の最大値は、測距時間t1に対応する。 The complex function z (t) is obtained directly from all number N of measured complex amplitudes H (f k ), corresponding to the time signal, of the inter-separation number spectrum. The function contains all the data corrected by the system analysis. The overall maximum value of the time function Re (z (t)) corresponds to the distance measurement time t1.

逆フーリエ変換(IFT)は、複数目標の場合に適合して使用可能である。しかし、付加条件が、分離周波数のシステム解析で得られた複合振幅の選択において、組込まれる。伝達関数の不規則に選択された部分により、目標物dの測距時間に関し、最大値を有する一パラメータ時間関数が得られる。   Inverse Fourier transform (IFT) can be used in the case of multiple targets. However, additional conditions are incorporated in the selection of the composite amplitude obtained from the system analysis of the separation frequency. Due to the irregularly selected part of the transfer function, a one-parameter time function having a maximum value is obtained with respect to the ranging time of the target d.

複数目標の場合は、IFTはフーリエ変換の理論から知られるウインドウ関数W(f)により展開される。例えば、ハニングウインドウ又はブラックマンウインドウであり、次式が適用される。

Figure 0005502262
ウインドウ関数W(f)は、複数目標の場合の距離測定の精度を著しく向上させる。 In the case of multiple targets, the IFT is expanded by a window function W (f) known from the theory of Fourier transform. For example, a Hanning window or a Blackman window, and the following formula is applied.
Figure 0005502262
The window function W (f) significantly improves the accuracy of distance measurement in the case of multiple targets.

複数目標の場合に適した周波数コンセプトの例を以下に示す。   Examples of frequency concepts suitable for multiple targets are given below.

複数目標の場合に最適であり周波数セットの形態である周波数コンセプトは、等間隔励起周波数により形成される。そのようなコンセプトは、例えば、400MHz、410MHz、420MHz、…500MHzの周波数を有する。   A frequency concept that is optimal for multiple targets and is in the form of a frequency set is formed by equally spaced excitation frequencies. Such a concept has, for example, frequencies of 400 MHz, 410 MHz, 420 MHz,.

IFTにより作られる時間信号z(t)の大きさは適切に算出できる。等間隔励起周波数から得られた時間信号の典型的な形状が、図13に例示されている。測距時間は、算出されるパルス時間信号z(t)で得られる。複数のパルスが生じるのは、複数目標があることを示す。測定された分離周波数により、算出された時間信号は時間的に周期的である。算出された時間関数の周期性は、最大範囲を限定する。等間隔周波数のセットを適切に選択することにより、最大範囲は測定精度を下げることなく500mまで延長される。   The magnitude of the time signal z (t) generated by the IFT can be calculated appropriately. A typical shape of a time signal obtained from equally spaced excitation frequencies is illustrated in FIG. The distance measurement time is obtained from the calculated pulse time signal z (t). The occurrence of multiple pulses indicates that there are multiple targets. Due to the measured separation frequency, the calculated time signal is periodic in time. The calculated periodicity of the time function limits the maximum range. By appropriately selecting a set of equally spaced frequencies, the maximum range is extended to 500 m without reducing measurement accuracy.

システム解析に必要な励起周波数の数を減らすために、周波数は等間隔で複数の周波数に分割される。言いかえれば、第一分析工程で、細かい周波数間隔の等間隔周波数が放射はされることを意味する。時間信号z(t)又はz(t)は、IFTで算出され、近似距離が得られる。図14に示す例では、100MHz、100.5MHz、101MHz、101.5MHz、…105MHzである。   In order to reduce the number of excitation frequencies required for system analysis, the frequency is divided into a plurality of frequencies at equal intervals. In other words, in the first analysis step, it means that a uniform frequency with a fine frequency interval is emitted. The time signal z (t) or z (t) is calculated by IFT, and an approximate distance is obtained. In the example shown in FIG. 14, they are 100 MHz, 100.5 MHz, 101 MHz, 101.5 MHz,.

第二分析工程では、より粗い周波数間隔の等間隔周波数の他のセットが発射されて、対応時間信号z(t)が再度IFTにより算出される。この結果、距離が正確に算出される。図14に例をしめし、100MHz、107.5MHz、115MHz、…175MHzである。測定距離精度が不充分であれば、そのシステム解析は、より細かい間隔で等間隔周端数を使用して精度を向上する。   In the second analysis step, another set of equally spaced frequencies with coarser frequency intervals is fired and the corresponding time signal z (t) is again calculated by IFT. As a result, the distance is accurately calculated. An example is shown in FIG. 14, and they are 100 MHz, 107.5 MHz, 115 MHz,. If the measurement distance accuracy is inadequate, the system analysis will improve accuracy using evenly spaced perimeters at finer intervals.

コスト関数として時間信号z(t)の変わりに、距離を算定するために、加重式IFTにより生じる、パワー信号[z(t)]・z(t)を使用しても良い。[z(t)]は複素共役間数z(t)を示す。   Instead of the time signal z (t) as a cost function, the power signal [z (t)] · z (t) generated by the weighted IFT may be used to calculate the distance. [z (t)] represents the complex conjugate number z (t).

そのシステムは、入力としての周期的伝送信号により励起される。最も単純な場合は、これは、調和正弦振動である。好ましくは、しかし、例えば、矩形、三角形、ディラックパルス、又は他の形状の、短持続時間パルスが周期的に作られる。伝送信号の周波数スペクトルは、それ故、離散的であり、基本調和周波数に加えて、対応するより高い調和周波数が、パルス形状に従って、スペクトル内に同時に作られる。   The system is excited by a periodic transmission signal as input. In the simplest case, this is a harmonic sinusoidal vibration. Preferably, however, short duration pulses, for example in the form of rectangles, triangles, Dirac pulses, or other shapes, are made periodically. The frequency spectrum of the transmitted signal is therefore discrete, and in addition to the fundamental harmonic frequency, a corresponding higher harmonic frequency is simultaneously created in the spectrum according to the pulse shape.

システム解析のために、異なった周波数の複数周期的伝送信号が使用される。これらは、順じシステム入力に使用され、対応する出力信号が測定される。全周期的信号が測定されると、システム測定(システム解析)が完了する。周期的信号応答の基本調和周波数に加えて、そのスペクトル範囲で、その応答のより高い調和スペクトル成分が計測される。   For system analysis, multiple periodic transmission signals with different frequencies are used. These are in turn used for system inputs and the corresponding output signals are measured. When all periodic signals are measured, the system measurement (system analysis) is completed. In addition to the fundamental harmonic frequency of the periodic signal response, a higher harmonic spectral component of that response is measured in that spectral range.

この発明に実施例において、例えばDDSシンセサイザ(直接ディヂタルシンセサイザ)により、励起周波数のセットが作れる。コンパクトな単一チップのモジュールは、非常に高精度で、任意の周端数を実際に発生できる。周波数変化のための切換時間はミリ秒より短く、システム解析のための必要測定時間と比較して無視できる程短い。切換は、例えば、データバスを介してマイクロプロセッサーにより制御される。DDSモジュールの同期計時周波数は、ppmの制度のマスター発振器により発生される。この周波数は、この場合、全ての励起周波数の目盛較正の基礎とされ得て、ppm単位で距離解析を保証する。   In an embodiment of the invention, a set of excitation frequencies can be made, for example by means of a DDS synthesizer (direct digital synthesizer). A compact single chip module is very accurate and can actually generate any number of perimeters. The switching time for changing the frequency is shorter than milliseconds, and is negligibly short compared with the necessary measurement time for system analysis. The switching is controlled by a microprocessor via a data bus, for example. The synchronous timing frequency of the DDS module is generated by a ppm-based master oscillator. This frequency can in this case be the basis for calibration of all excitation frequencies, ensuring distance analysis in ppm.

DDS周波数シンセサイザに加えて、他の近代的”周波数ポッピングデバイス”、フラクショナルNシンセサイザが知られている。迅速な段階的な周波数切換により、それらのモジュールは必要な変調周波数の発生器として適切である。   In addition to DDS frequency synthesizers, other modern "frequency popping devices", fractional N synthesizers are known. Due to the rapid gradual frequency switching, these modules are suitable as generators of the required modulation frequency.

有利な点は、発射された励起周波数の信号強さ(振幅)を決定することである。何故ならば、送信信号と受信信号の両方の振幅を知って、伝送複素関数H(t)を算出するために使用されるからである。   The advantage is to determine the signal strength (amplitude) of the emitted excitation frequency. This is because it is used to calculate the transmission complex function H (t) by knowing the amplitudes of both the transmission signal and the reception signal.

各最適周期的励起の形式と選択とは、距離算定方法と同様に、目標の数、目標の距離、信号とノイズの比率等のシステムの特徴による。これらの実際の特徴を考慮して、システム解析の励起スペクトルは、DDSシンセサイザと付加的な他要素とを使用して、現場で、最適に選択され、柔軟性を持って形成され得る。   The format and selection of each optimum periodic excitation depends on system characteristics such as the number of targets, the target distance, and the signal to noise ratio, as well as the distance calculation method. In view of these actual features, the excitation spectrum of the system analysis can be optimally selected and flexibly formed in the field using a DDS synthesizer and additional elements.

目標が一つの場合には、例えば、対数等間隔ステップを有する周期的伝送信号の繰り返し周波数が選択される。コスト関数s(t)が、逆フーリエ変換により算出され、図12に示すように、ノイズに対して強い推算法に適した全最大値が得られる。   When there is one target, for example, the repetition frequency of the periodic transmission signal having logarithmically spaced steps is selected. The cost function s (t) is calculated by inverse Fourier transform, and as shown in FIG. 12, an overall maximum value suitable for an estimation method strong against noise is obtained.

目標点と遠隔測定装置デバイスとの間の複数反射が生じる目標板の場合には、伝送パルスの繰り返し周波数は、好ましくは、主たる数であり、調整されて使用される。コスト関数s(t)は、逆フーリエ変換により算出されて、目標板の求める距離の推算法に適した全体最大値が得られる。   In the case of a target plate where multiple reflections between the target point and the telemeter device occur, the repetition frequency of the transmission pulses is preferably the main number and is used in an adjusted manner. The cost function s (t) is calculated by inverse Fourier transform, and an overall maximum value suitable for the distance estimation method obtained by the target plate is obtained.

測定ビーム内に複数目標がある測定状態では、例えば、等間隔周波数ステップを有する周期的伝送信号が、システム解析に使用される。   In a measurement state where there are multiple targets in the measurement beam, for example, a periodic transmission signal with equally spaced frequency steps is used for system analysis.

例えば、500mの長い距離範囲の距離を高精度(略mm)で測定できるために、等間隔ステップを有する複数セットの励起周波数が、前述のように、使用され得る。基本的に、繰り返し周波数の間で、異なった間隔を有する2セットの励起信号で、図11に示すように、十分である。   For example, in order to be able to measure a long distance range of 500 m with high accuracy (approximately mm), multiple sets of excitation frequencies with equally spaced steps can be used as described above. Basically, two sets of excitation signals with different spacings between repetition frequencies are sufficient, as shown in FIG.

要約すると、次の3個の推算方法は基本的にシステム解析のその目的を達成する。   In summary, the following three estimation methods basically achieve that purpose of system analysis.

1.一つの方法は、ある時間範囲でのシステムデータの推算である。時間的に互いにシフトした全てのパルス順序で信号応答の関連する測距時間を計測することによって、伝送距離に沿って同時に送られるパルス数(独特)が決められる。求める目標物の距離は、最新に送信され受信されたパルスの間の測距時間の測定値と、送受信ユニット間のパルスの数を組み合わせて、最終的に得られる。   1. One method is the estimation of system data over a certain time range. By measuring the associated ranging time of the signal response in all pulse sequences that are shifted with respect to each other in time, the number of pulses that are sent simultaneously along the transmission distance (unique) is determined. The target distance to be obtained is finally obtained by combining the distance measurement time value between the latest transmitted and received pulses and the number of pulses between the transmitting and receiving units.

2.別の方法は、周波数範囲に関する推算である。DET又はFFTを、測定された周期的時間信号に適用することによって、伝達関数H(f)のパラメータは、励起周波数(より高い調和周波数を含む)で算定される。伝達関数H(f)が、十分な周波数について、計測されると、距離は、例えば、最小二乗法、最大公算法によるコスト関数、又は、他の基準によるコスト関数により算定される。   2. Another method is an estimate over the frequency range. By applying DET or FFT to the measured periodic time signal, the parameters of the transfer function H (f) are calculated at the excitation frequency (including higher harmonic frequencies). When the transfer function H (f) is measured for a sufficient frequency, the distance is calculated by, for example, a least square method, a cost function based on a maximum likelihood method, or a cost function based on other criteria.

3.更に別の方法は、周波数範囲における推算の延長である。伝達関数H(f)が十分な数の周波数で測定されると、パルス応答に対応する時間信号z(t)は、IFTを適用して、再構築されて、推算がその時間範囲で再度適用される。システムの遅れ時間又は各目標物への測距時間は、Re(z(t))の信号最大値・最小値により決められる。   3. Yet another method is to extend the estimation in the frequency range. When the transfer function H (f) is measured at a sufficient number of frequencies, the time signal z (t) corresponding to the pulse response is reconstructed by applying IFT and the estimation is reapplied in that time range. Is done. The delay time of the system or the distance measurement time for each target is determined by the signal maximum value / minimum value of Re (z (t)).

デバイス側では、目標物に反射された受信光信号は、好ましくは、電子広バンドの光電子受信器により検知される。励起信号は、MHz又はGHzの範囲の高周波信号である。アナログ−ディジタル変換器(ADC)での走査する信号を避けるために、ある実施例において、例えば、受信信号は電子ミクサー(ヘテロダイン受信器)に送られる。そのミクサーの出力で、低周波に変換された時間信号はADCにより走査され、測定点データは推算ユニット又はメモリに送られる。   On the device side, the received optical signal reflected by the target is preferably detected by an electronic wide band optoelectronic receiver. The excitation signal is a high-frequency signal in the MHz or GHz range. To avoid scanning signals at an analog-to-digital converter (ADC), in one embodiment, for example, the received signal is sent to an electronic mixer (heterodyne receiver). At the output of the mixer, the time signal converted to low frequency is scanned by the ADC, and the measurement point data is sent to the estimation unit or memory.

異なった繰り返し率の走査された時間信号は、好ましくは、DETにより、ある周波数範囲に変換され、その結果は、各周波数において伝達関数H(f)の複合振幅である。伝送複素関数H(f)の更なる計測点は、各周期的な伝送信号又は励起信号で決められる。伝送複素関数H(f)の十分な測定点が得られると、遅れ時間を算定する方法の一つにより距離計算を開始できる。   Scanned time signals with different repetition rates are preferably converted by DET to a frequency range, and the result is the composite amplitude of the transfer function H (f) at each frequency. Further measurement points of the transmission complex function H (f) are determined by each periodic transmission signal or excitation signal. When sufficient measurement points of the transmission complex function H (f) are obtained, the distance calculation can be started by one of the methods for calculating the delay time.

目標が一つの場合に、測定距離を増加し、雨、降雪、霧に影響されずに、システム解析が可能な、本発明による実施例は、例えば、次にようである。システム解析の励起周波数は、DDSシンセサイザにより生じて、励起周波数の振幅が決められる。励起周波数の振幅は、工場で一端較正される。   An embodiment according to the present invention, in which the system analysis can be performed without increasing the measurement distance and being affected by rain, snowfall, and fog when the number of targets is one, is as follows. The excitation frequency for system analysis is generated by the DDS synthesizer, and the amplitude of the excitation frequency is determined. The amplitude of the excitation frequency is calibrated once at the factory.

信号の受信は、電子ミクサーとPLL信号によりヘテロダインであるように設計され、信号検知は、ADCを使用して、パルス同期ディジタル化により実施される。置換例として、高周波数範囲で信号を直接走査することは、ヘテロダイン受信方法に変えて実施できる。   Signal reception is designed to be heterodyne with an electronic mixer and PLL signal, and signal sensing is performed by pulse-synchronized digitization using an ADC. As a replacement example, scanning the signal directly in the high frequency range can be implemented instead of the heterodyne reception method.

ディジタル化した受信信号の推算の第一工程は、処理ユニットでDFT変換により実施される。パルス奥羽等と同等の時間信号の算出はIFT法により実施される。   The first step of estimating the digitized received signal is performed by DFT conversion in the processing unit. Calculation of the time signal equivalent to the pulse back feather etc. is performed by the IFT method.

パルス応答と同等の時間信号は、IFT法により算出される。雨、霧、又は降雪は、光伝送信号の一部を反射する。しかし、信号の成分は、散逸があり、全測定距離に渡って積分されるので、周波数から独立した遅れ時間は、パルス応答に重畳されずに、周波数に関係する測距時間が重畳される(散逸)。理論的検討と実験により、システムの測距時間に対する散乱の干渉影響は、励起周波数が10MHzを越えると直ぐに無くなる。雨、霧が信号振幅に及ぼす影響は、低周波で現れるので、約1〜5MHzの周波数を削除すれば良い。それ故、約10MHzより大きい変調周波数だけがシステム解析に使用されれば、実際の目標物の距離測定で、空中の降りる粒子の影響は、無視できる。   A time signal equivalent to the pulse response is calculated by the IFT method. Rain, fog, or snowfall reflects a portion of the optical transmission signal. However, since the signal component is dissipated and integrated over the entire measurement distance, the delay time independent of the frequency is not superimposed on the pulse response, but the distance measurement time related to the frequency is superimposed ( Dissipated). From theoretical studies and experiments, the interference effects of scattering on the system ranging time disappear as soon as the excitation frequency exceeds 10 MHz. Since the influence of rain and fog on the signal amplitude appears at a low frequency, the frequency of about 1 to 5 MHz may be deleted. Therefore, if only modulation frequencies greater than about 10 MHz are used for system analysis, the effects of falling particles in the air are negligible in actual target distance measurements.

DDS技術による多数の変調周波数を使用すると、データに余裕ができて更に有利である。例えば、光測定ビームが、システム解析中に、人にたまたま遮ぎられると、伝達関数H(f)に不連続が生じるが、変調周波数の数が多いので、その影響は容易に検知されて、更なる信号推算では無視される。H(f)の残りのスペクトル部分は、距離測定に十分であり、精度に影響は見られない。   The use of a large number of modulation frequencies according to the DDS technique is more advantageous because it allows more data. For example, if a light measurement beam happens to be interrupted by a person during system analysis, a discontinuity will occur in the transfer function H (f), but the effect is easily detected because of the large number of modulation frequencies, It is ignored for further signal estimation. The remaining spectral portion of H (f) is sufficient for distance measurement and has no effect on accuracy.

複数目標の場合のシステム解析装置に関する本発明による別の実施例が、提供され、例えば、次の方策である。   Another embodiment according to the invention relating to a system analysis device in the case of multiple goals is provided, for example the following strategy.

システム解析のための、好ましくは、柔軟性をもって励起周波数の数を決めて発生することは、非常に高い周波数を発生する第一DDSを利用し、下流回路の周波数変換器と組み合わせて、実施される。その周波数変換器は高精度の距離測定を保証する。PLLが無くても、ミクロン秒の迅速な周波数切換が可能である。励起周波数の振幅は、発信側で決定されるが、工場で一旦振幅が較正することもできる。受信回路では、迅速に切換可能なDDSシンセサイザが、ヘテロダイン又はホモダイン受信のために信号を混合する。周波数のチューニングが順次、第一DDSが受け入れ可能よりも大きい周波数範囲で、実施される。ADCによるディジタル化が、信号測定に使用される。DFT又はIFTによる信号の推算は、処理ユニットで実施され、パルス応答と同等に時間信号が算出される。   For the system analysis, preferably the flexible generation of the number of excitation frequencies is performed using a first DDS that generates a very high frequency, in combination with a frequency converter in the downstream circuit. The Its frequency converter ensures high-precision distance measurement. Even without a PLL, it is possible to switch frequencies rapidly in microseconds. The amplitude of the excitation frequency is determined on the transmission side, but it can also be calibrated once at the factory. In the receiving circuit, a rapidly switchable DDS synthesizer mixes the signals for heterodyne or homodyne reception. Frequency tuning is performed sequentially in a frequency range that is greater than the first DDS can accept. Digitization by ADC is used for signal measurement. The estimation of the signal by DFT or IFT is performed in the processing unit, and a time signal is calculated in the same manner as the pulse response.

本発明による方法とこの方法を実施するために適切なデバイスが、以下により詳細に記載されていて、例示として添付図に図示した実施例を説明している。   The method according to the invention and the devices suitable for carrying out this method are described in more detail below and illustrate the embodiment illustrated in the accompanying drawings by way of example.

図1a、1bは、従来技術によるパルス測定方法の原理を図解している。   1a and 1b illustrate the principle of a pulse measuring method according to the prior art.

図1aにおいて、送信器1は光パルス2を放射し、そのパルスは目標即ち対向リフレクタ3に反射された後、受信器4により検知される。一般的には、送信器1と受信器4は、一つのユニットに配置される。   In FIG. 1 a, the transmitter 1 emits a light pulse 2, which is reflected by the target or counter reflector 3 and then detected by the receiver 4. In general, the transmitter 1 and the receiver 4 are arranged in one unit.

距離は、測距時間Lから算出される。その測距時間は、光パルス2の発射の開始時Sと受信時Eとの差である。受信時の判定は、信号パルスs(t)の特徴から、例えば、信号が閾値を超えているか否かにより、又は、パルス曲線を積分してその重心を算定して、実施される。   The distance is calculated from the distance measurement time L. The distance measurement time is the difference between the start time S and the reception time E of the light pulse 2. The determination at the time of reception is performed based on the characteristics of the signal pulse s (t), for example, based on whether or not the signal exceeds a threshold value, or by integrating the pulse curve and calculating the center of gravity.

図2a、2bは、従来技術による位相測定方法の原理を示す図であり、測定ユニットと目標と間の距離が算定される。   2a and 2b are diagrams illustrating the principle of a phase measurement method according to the prior art, in which the distance between the measurement unit and the target is calculated.

図2aにおいて、送信器1’は、光波2である変調した光信号を目標に発し、光信号は目標に反射されて受信器4’に戻る。測距時間方法に反して、送信と受信との間の時間がこの場合は記録されない。入力信号と出力信号との位相の差が記録される。この差は測定装置と目標と間の距離による。何故ならば、この距離は、発射された光パルス2’の波長Wの倍数と残余Rとに対応する。この残余は、図2bに示す、波長Wにより距離を分割した時、残る成分である。位相ずれを知るために、残余Rを測定して、残余Rと波長Wの数を把握することにより、測定ユニットと目標間の距離が得られる。波長Wの数が、この方法では、積分成分として直接得られないので、この未知数を求める付加的解析を実施する必要がある。これは、例えば、複数の変調周波数(2〜5個)が利用され、このために、受信信号の絶対位相が、伝送信号に関して、順次算出される。一つの目標の距離は、これらの複数測定値から得られる。   In FIG. 2a, the transmitter 1 'emits a modulated optical signal, which is the light wave 2, to the target, and the optical signal is reflected back to the target and returns to the receiver 4'. Contrary to the distance measurement time method, the time between transmission and reception is not recorded in this case. The phase difference between the input signal and the output signal is recorded. This difference depends on the distance between the measuring device and the target. This distance corresponds to a multiple of the wavelength W of the emitted light pulse 2 'and the remainder R. This residue is a component that remains when the distance is divided by the wavelength W shown in FIG. In order to know the phase shift, the distance between the measurement unit and the target can be obtained by measuring the residual R and grasping the number of the residual R and the wavelength W. In this method, since the number of wavelengths W cannot be obtained directly as an integral component, it is necessary to perform an additional analysis for obtaining this unknown. For example, a plurality of modulation frequencies (2 to 5) are used. For this reason, the absolute phase of the received signal is sequentially calculated with respect to the transmission signal. One target distance is obtained from these multiple measurements.

従来技術位相計の適切な具体例が、ブロック図により図3に示されている。送信器1’では、信号が、変調器MOにより放射源SQの光について変調される。変調器は高周波発振器OSCIにより制御される。受信器4’の光学装置により検知された後、反射光は光電子変換器OEWにより、低周波信号に変換される。この目的のために、重畳発振器UEOの信号が光電子変換器OEWに適用される。高周波発振器の信号から低周波共振信号を生じる混合工程MSが、その重畳発振器UEOにより実施される。その低周波信号は、四角形パルスに、トリガーTRにより変換される。その下流に配置された位相測定ユニットPMEで、高周波発振器OSCIの信号と、受信光の混合された低周波信号とが、比較されて、位相差が算定される。その位相差により距離を算定する。   A suitable example of a prior art phase meter is shown in FIG. 3 by a block diagram. In the transmitter 1 ', the signal is modulated with respect to the light of the radiation source SQ by the modulator MO. The modulator is controlled by a high frequency oscillator OSCI. After being detected by the optical device of the receiver 4 ', the reflected light is converted into a low frequency signal by the optoelectronic converter OEW. For this purpose, the signal of the superposition oscillator UEO is applied to the optoelectronic converter OEW. A mixing step MS for generating a low-frequency resonance signal from the signal of the high-frequency oscillator is performed by the superposed oscillator UEO. The low frequency signal is converted into a square pulse by the trigger TR. The phase measurement unit PME arranged downstream thereof compares the signal of the high-frequency oscillator OSCI with the low-frequency signal mixed with the received light to calculate the phase difference. The distance is calculated from the phase difference.

図4は、本発明によるシステム解析測定方法の原理を概して示す図であり、複数の目標物に対して、線形伝送システムとしての遠隔測定装置のシテムモデルを、適用している。光パルス2”は送信器1”により発射される。光パルス2”は複数目標により反射される。それら目標は、ここでは、第一目標3aと第二目標3bとである。反射信号は受信器4”により検知される。全体のシステムは、送信器1”と、目標3a、3bと、受信器4”を有し、略時間独立システム(LTIシステム)として理解される。しかし、これは、目標物が動くことを許容しないことではなく、システム解析のための計測時間内の小さい動きは許容する。距離データを得るために、信号s(t)が、システム入力SEとシステム応答の信号振幅y(t)に適用され、システム出力SAで記録されるシステムデータとなる。ここで、シテム入力と出力は、LTIシステムの外部へのインターフェースである。   FIG. 4 is a diagram generally showing the principle of the system analysis measurement method according to the present invention, in which a system model of a telemetry device as a linear transmission system is applied to a plurality of targets. The light pulse 2 ″ is emitted by the transmitter 1 ″. The light pulse 2 "is reflected by multiple targets. These targets are here the first target 3a and the second target 3b. The reflected signal is detected by the receiver 4". The whole system has a transmitter 1 ", targets 3a, 3b and a receiver 4" and is understood as a substantially time independent system (LTI system). However, this does not allow the target to move, but allows small movements within the measurement time for system analysis. In order to obtain the distance data, the signal s (t) is applied to the system input SE and the signal amplitude y (t) of the system response, resulting in system data recorded at the system output SA. Here, the system input and output are interfaces to the outside of the LTI system.

図5aは、本発明によるシステム解析測定方法の実施例の原理を、時間範囲で説明する図である。LTIシステムは、パルス状周期的信号により繰り返し励起される。そのパルス信号は、どのケースでも、複数の分離(異なった)周波数からなる。各励起パルスs(t)について、受信器により、システム応答5の信号振幅又は信号波形y(t)が記録される。パルスの繰り返し周波数をfjからfkに変化させて、対応する信号応答の時間シフトΔtjkを得る。この時間シフトΔtjkは、伝送距離に渡って同時にあるパルス数の情報を提供し、測量距離の概略値を提供する。正確な距離結果は、最終的に、発信・受信信号パルス間の測距時間差を測定して得られる。このために、全ての時間シフト応答信号hk(t−Δtjk)から、時間信号z(t)6が構築される。z(t)から、測距時間tnが確率平均により得られる。 FIG. 5a is a diagram for explaining the principle of an embodiment of the system analysis measurement method according to the present invention in a time range. The LTI system is repeatedly excited by a pulsed periodic signal. The pulse signal, in any case, consists of a plurality of separation (different) frequencies. For each excitation pulse s (t), the signal amplitude or signal waveform y (t) of the system response 5 is recorded by the receiver. The pulse repetition frequency is changed from f j to f k to obtain the corresponding signal response time shift Δt jk . This time shift Δt jk provides information on the number of pulses simultaneously over the transmission distance and provides an approximate value for the survey distance. The accurate distance result is finally obtained by measuring the distance measurement time difference between the transmitted and received signal pulses. For this purpose, a time signal z (t) 6 is constructed from all the time shift response signals h k (t−Δt jk ). From z (t), the distance measurement time t n is obtained by a probability average.

図5bは、本発明によるシステム解析測定方法の更なる実施例の原理を図示している。LTIシステムは、各々複数分離周波数からなる信号により繰り返し励起される。各励起では、受信器に登録されるシステム応答5’の信号振幅又は信号波形y(t)は記録されて、分離フーリエ変換(DFT)が適用される。伝送信号の各励起周波数における伝送複素関数が、DFTから得られる。各ケースで、振幅Sjと位相シフトψjが、スペクトルの種々の周波数で、実数部と虚数部とから計算される。再び、時間信号z(t)6’が、逆分離フーリエ変換(DFT)により、種々の励起についての全システム応答のスペクトル集合から、再構築されて得られる。時間信号z(t)6’は、距離信号z(D)と同等であり、そこでは時間パラメータtは光速cの半分が乗じられる。この例では、測距時間t1、t2は、二つの目標を区別して、それらの距離は、再構築された時間信号6’の曲線から得られる。 FIG. 5b illustrates the principle of a further embodiment of the system analysis measurement method according to the invention. The LTI system is repeatedly excited by signals each consisting of multiple separation frequencies. At each excitation, the signal amplitude or signal waveform y (t) of the system response 5 ′ registered in the receiver is recorded and a separate Fourier transform (DFT) is applied. A transmission complex function at each excitation frequency of the transmission signal is obtained from the DFT. In each case, the amplitude S j and the phase shift ψ j are calculated from the real part and the imaginary part at various frequencies of the spectrum. Again, a time signal z (t) 6 ′ is obtained by reconstruction from the spectral set of the total system response for the various excitations by inverse separation Fourier transform (DFT). The time signal z (t) 6 'is equivalent to the distance signal z (D), where the time parameter t is multiplied by half of the speed of light c. In this example, the ranging times t 1 , t 2 distinguish between the two targets, and their distance is obtained from the curve of the reconstructed time signal 6 ′.

図6a、6bは、本発明による方法のシステムモデル用の入力及び出力パラメータを例示している。図6aは三角形パルスを示し、LTIシステムを励起するMHz範囲の周期的繰り返しであり、システム入力に適用される。信号振幅z(t)の最大値は、時間t=0の時に対応する。図6bはシステム応答y(t)を図示し、受信器により検知され、システム出力として提供される。ここで説明する二つの目標の場合は、この応答は二つの三角形である受信信号振幅y(t)を形成し、そのピークは時間t1、t2で受信される。 Figures 6a and 6b illustrate the input and output parameters for the system model of the method according to the invention. FIG. 6a shows a triangular pulse, which is a periodic repetition of the MHz range that excites the LTI system and applies to the system input. The maximum value of the signal amplitude z (t) corresponds to the time t = 0. FIG. 6b illustrates the system response y (t), which is detected by the receiver and provided as the system output. In the case of the two goals described here, this response forms two triangular received signal amplitudes y (t), the peaks of which are received at times t 1 and t 2 .

図7は、本発明による方法のシステムモデルを示し、部分システムdを統合してLTIシステム7を提供し、各部分システムは一つの目標物に対応している。測距時間又は遅れ時間tnを有するシステムに関して、線形システムに対して、重畳原理、増幅原理、交換原理が適用される。従って、システムは、遅れ時間に関して順次交換されて、LTIシステムの部分システムは、他の工程に及他の統合に適用され得る。システム出力SAでの信号y(t)は、システム応答y1(t−t1)〜yd(t−td)の線形及び交換可能な重畳である。そのシステム応答は、システム入力SEで、信号s(t)適用から得られる各励起s1(t)〜sd(t)を有する部分システムに対応する。図7に示すシステムモデルは数式2に対応する。 FIG. 7 shows the system model of the method according to the present invention, integrating the partial system d to provide the LTI system 7, each partial system corresponding to one target. With respect to a system having a ranging time or delay time tn, the superposition principle, the amplification principle and the exchange principle are applied to the linear system. Thus, the systems are sequentially exchanged with respect to delay times, and sub-systems of the LTI system can be applied to other processes and other integrations. The signal y (t) at the system output SA is a linear and interchangeable superposition of the system responses y 1 (t−t 1 ) to y d (t−t d ). The system response corresponds to a partial system with each excitation s 1 (t) -s d (t) resulting from application of signal s (t) at system input SE. The system model shown in FIG.

図8は、システム解析のための適切な伝送信号を示し、例えば、正弦波動(上図)、一連の針形又はディラックパルス(中図)、矩形パルス(下図)である。   FIG. 8 shows a suitable transmission signal for system analysis, for example, a sine wave (top), a series of needle or Dirac pulses (middle), and a rectangular pulse (bottom).

図9は、送信信号の全量の適切なスペクトル分布の例である。全送信信号の全量(全励起信号スペクトルの総和)の適切なスペクトル分布が、システム解析に重要である。送信信号(単一周期)に関して、基本的に複数の周波数が作られる(フーリエシリーズ)。本発明により全ての同時に発射された周波数が計測され、記録され、推算される。   FIG. 9 is an example of an appropriate spectral distribution of the total amount of transmission signals. Appropriate spectral distribution of the total amount of all transmitted signals (sum of all excitation signal spectra) is important for system analysis. For a transmission signal (single period), a plurality of frequencies are basically created (Fourier series). In accordance with the present invention, all simultaneously emitted frequencies are measured, recorded and estimated.

システム解析を完遂するために、異なった周期の複数の送信信号が順次発射されて、全周波数の総和として、スペクトル範囲指定が重要である。このスペクトル範囲指定は、全送受信周波数からなるが、異なっても良い。周波数は、例えば、等間隔又は対数等間隔位置でのものでも良い。更に、周波数の間隔は、基本数又はヒボナッチ数により、選択され得る。図9において、上段に示す周波数分布は、等間隔位置に対応し、中段に示す周波数間隔の選択は、基本数選択で実施される。一方、下段の分布は対数等間隔配置である。上段及び下段分布では、全ての測定された信号の量は、受信器側で明白にスペクトルで表示されて(低パルス)、そのモデルの構成とその走査が遂行される。   In order to complete the system analysis, it is important to specify a spectral range as the sum of all the frequencies, with a plurality of transmission signals having different periods being sequentially fired. This spectral range designation consists of all transmission and reception frequencies, but may be different. The frequency may be, for example, at equally spaced or logarithmically spaced positions. Furthermore, the frequency interval can be selected by the basic number or the Hibonacci number. In FIG. 9, the frequency distribution shown in the upper stage corresponds to equally spaced positions, and the frequency interval shown in the middle stage is selected by selecting the basic number. On the other hand, the lower distribution is logarithmically spaced. In the upper and lower distributions, all measured signal quantities are clearly spectrally displayed on the receiver side (low pulse), and the construction of the model and the scanning are performed.

図10は、全送信信号の全量の適切なスペクトル分布の別例を示し、幅を限った分離周波数を示す。全励起信号のスペクトル分布が、等間隔配置(上段)であり、又は、対数等間隔配置(下段)である。   FIG. 10 shows another example of an appropriate spectral distribution of the total amount of all transmitted signals, showing the separation frequency with limited width. The spectral distribution of all excitation signals is equally spaced (upper) or logarithmically spaced (lower).

図11は、全送信信号の全量の適切なスペクトル分布の別例を示し、二セットの分離周波数の形態であり、その各々は異なった等間隔配置である。その二セットの間隔は好ましくは異なっている。   FIG. 11 shows another example of a suitable spectral distribution of the total amount of all transmitted signals, in the form of two sets of separation frequencies, each of which is a different equidistant arrangement. The distance between the two sets is preferably different.

図12は、例として、スペクトルが対数等間隔の場合に、システム解析のIFT(逆フーリエ変換)により再構築した時間信号又は距離信号を、図示している。時間信号z(t)は、対数等間隔励起周波数を具えたシステム解析により、コスト関数として算出される。測距時間の最適推算は、データ推算で得られ、その推算では、並行及び直列に実施された測定の全部分のデータが含まれる。目標が一つの場合に、最大公算法に基づいた最適推算法を使用して、伝達関数H(f)からIFTにより、時間信号が計算される。求める測距時間tn、又は、目標距離Dnは、最大信号ピークに対応する。図示された時間信号は、周波数点fkでの伝達関数H(fk)のIFTである。 FIG. 12 shows, as an example, a time signal or a distance signal reconstructed by IFT (Inverse Fourier Transform) of system analysis when the spectrum is logarithmically spaced. The time signal z (t) is calculated as a cost function by system analysis with logarithmically spaced excitation frequencies. Optimal estimation of ranging time is obtained by data estimation, which includes data for all parts of measurements performed in parallel and in series. In the case of one target, a time signal is calculated by IFT from the transfer function H (f) using an optimal estimation method based on the maximum likelihood method. The required distance measurement time t n or the target distance D n corresponds to the maximum signal peak. The illustrated time signal is an IFT of the transfer function H (f k ) at the frequency point f k .

図13は、例として、スペクトルが対数等間隔の場合において、システム解析のIFTとしての、時間信号の包絡線を図示している。目標距離Dnは再構築した時間信号│z(t)│により算出される。その時間信号は、等間隔励起周波数を具えたシステム解析によるコスト関数として算出される。時間信号は、測定された周波数点fkに関して伝送複素関数H(fk)のIFTにより作られる。求める測距時間は、信号最高ピークに対応する。測距時間と測距距離は、互いに対応している。何故ならば、D=c/(2・t)である。 FIG. 13 illustrates, as an example, an envelope of a time signal as an IFT for system analysis when the spectrum is logarithmically spaced. The target distance Dn is calculated from the reconstructed time signal | z (t) |. The time signal is calculated as a cost function by system analysis with equidistant excitation frequencies. The time signal is produced by an IFT of the transmission complex function H (f k ) with respect to the measured frequency point f k . The required ranging time corresponds to the highest signal peak. The distance measurement time and the distance measurement distance correspond to each other. This is because D = c / (2.t).

図14は、二つのスペクトル等間隔周波数セットのIFTである、二つ時間信号の例を図示している。距離Dnは、異なった2セットの等間隔間隔励起周波数を有するシステム解析により、コスト関数としての時間信号z(t)から算出される。点線で示す第一時間信号z1(t)は、第一周波数セットの測定データから得られた伝送複素関数のIFTにより決定される。実線で示す第二時間信号z2(t)は、第二セットの周波数から決められる伝送複素伝達関数のIFTにより得られる。求める測距時間の概略の推算は、第一時間信号の最大信号ピークに対応する。求める測距時間の正確な推算値は、第二時間信号の最大信号ピークに対応する。その第二時間信号の最大値は、第一時間信号と一致する。 FIG. 14 illustrates an example of a two time signal that is an IFT of two spectrally spaced frequency sets. The distance D n is calculated from the time signal z (t) as a cost function by system analysis with two different sets of equally spaced excitation frequencies. The first time signal z1 (t) indicated by the dotted line is determined by the IFT of the transmission complex function obtained from the measurement data of the first frequency set. The second time signal z2 (t) indicated by the solid line is obtained by the IFT of the transmission complex transfer function determined from the second set of frequencies. The rough estimation of the required distance measurement time corresponds to the maximum signal peak of the first time signal. The exact estimated value of the ranging time to be obtained corresponds to the maximum signal peak of the second time signal. The maximum value of the second time signal coincides with the first time signal.

図15は、二つの異なって反射する目標物に関して、二つの等間隔周波数セットのIFTであるパワー信号を例示している。複数目標に場合に好ましいコスト関数│P(t)│が、図示されている。そのコスト関数は、二つの目標物が測定される場合における、時間に関係するz(t)のパワー信号P(t)の包絡線である。第一パワー信号P1(t)(点線で示す)は、第一周波数セットの測定データから得られる複素伝達関数のIFTにより作られる。第二パワー信号P2(t)(実線で示す)は、第二セットの周波数から得られる伝送複素関数のIFTから作られる。求める測距時間の概略推算法は、第一パワー信号│P1(t)│の最大信号ピークに対応する。求める測距時間の正確な推算法は、第二パワー信号│P2(t)│の最大信号ピークに対応する。その第二パワー信号の最大値は、第一パワー信号と一致する。   FIG. 15 illustrates a power signal that is an IFT of two equally spaced frequency sets for two differently reflecting targets. A preferred cost function | P (t) | for multiple targets is shown. The cost function is the envelope of the power signal P (t) of z (t) related to time when two targets are measured. The first power signal P1 (t) (indicated by a dotted line) is generated by an IFT of a complex transfer function obtained from the measurement data of the first frequency set. The second power signal P2 (t) (shown as a solid line) is generated from the IFT of the transmission complex function obtained from the second set of frequencies. The rough estimation method of the distance measurement time to be obtained corresponds to the maximum signal peak of the first power signal | P1 (t) |. The accurate estimation method of the required distance measurement time corresponds to the maximum signal peak of the second power signal | P2 (t) |. The maximum value of the second power signal coincides with the first power signal.

本発明によるデバイスとして、簡明な光電子システム解析の具体例が、ブロック図で図16に示され、ヘテロダインミクサーを有している。DDS(直接的ディジタルシンセサイザ)技術が使用され、このモデルでは、全ての任意調和周波数と任意信号形状をプログラム可能である。シンセサイザは、マイクロプロセッサによりミリ秒で切換られる。それ故、短時間に、システム解析に必要な全周波数を走査し、伝達関数の実数及び虚数部分を知ることが可能である。位相ロックループPLLが、電圧制御発振器VCOと共に、ヘテロダイン受信器の位相安定混合周波数を作り得る。システム応答の直接走査、又は、ホモダイン信号の受信の場合は、PLLは省略される。発振された信号は、周波数変換器FCにより、非常に高い周波数に変換される。増幅回路Aの後で、受信信号は、低周波時間信号に積ミクサーMIXにより変換されて、低周波フィルタLFに送られ、アナログ−ディジタル変換器ADCでディジタル化される。信号データは、処理ユニットPUに集積され、要すればメモリMに記憶される。周波数安定マスター発振器OSCIは、時間基準として使用される。   A simple example of optoelectronic system analysis as a device according to the present invention is shown in block diagram in FIG. 16 and has a heterodyne mixer. DDS (direct digital synthesizer) technology is used and in this model all arbitrary harmonic frequencies and arbitrary signal shapes are programmable. The synthesizer is switched in milliseconds by the microprocessor. Therefore, in a short time, it is possible to scan all the frequencies necessary for system analysis and know the real and imaginary parts of the transfer function. A phase locked loop PLL, together with a voltage controlled oscillator VCO, can create a phase stable mixing frequency for a heterodyne receiver. In the case of direct scanning of the system response or reception of a homodyne signal, the PLL is omitted. The oscillated signal is converted to a very high frequency by the frequency converter FC. After the amplifier circuit A, the received signal is converted into a low frequency time signal by a product mixer MIX, sent to a low frequency filter LF, and digitized by an analog-to-digital converter ADC. The signal data is accumulated in the processing unit PU and stored in the memory M if necessary. The frequency stable master oscillator OSCI is used as a time reference.

図17は、本発明によるデバイスの別の実施例のためのブロック図を示し、ヘテロダインミクサーを具え、周波数の選択に柔軟性が増加する。システム解析のための励起周波数の発生は、非常に高い周波数を発生する周波数変換器に接続した第一DDSシンセサイザにより実施される。その配置では、位相ロックループPLLが設けられるので、種々の有利な点があり、例えば、ミクロン秒での迅速な周波数切換が可能であり、又は、PLLの狭いロック範囲無しに、DDSの周波数範囲は全部使用される。第二DDSシンセサイザは迅速に切換可能であり、ヘテロダイン受信のための混合信号を発生する。周波数変換器FCは、励起混合信号を必要な周波数バンドに変換する。周波数安定マスター発振器OSCIは、時間基準に使用される。他の複数のモジュールは、ヘテロダインミクサーMIX、信号走査用のアナログ−ディジタル変換器ADC、データ記憶用メモリM、制御・推算ユニットとしての処理ユニットPUである。   FIG. 17 shows a block diagram for another embodiment of a device according to the invention, comprising a heterodyne mixer, increasing the flexibility in frequency selection. The generation of the excitation frequency for system analysis is performed by a first DDS synthesizer connected to a frequency converter that generates a very high frequency. In that arrangement, a phase-locked loop PLL is provided, which has various advantages, for example, allowing rapid frequency switching in microseconds, or without a narrow lock range of the PLL, the frequency range of the DDS. Are all used. The second DDS synthesizer can be switched quickly and generates a mixed signal for heterodyne reception. The frequency converter FC converts the excitation mixed signal into a necessary frequency band. The frequency stable master oscillator OSCI is used as a time reference. The other modules are a heterodyne mixer MIX, an analog-digital converter ADC for signal scanning, a data storage memory M, and a processing unit PU as a control / estimation unit.

図18は、本発明による地理測定器の例としての経緯儀の望遠鏡を図示し、本発明によるデバイスを具える。推算電子部10と共通な支持部材9に配置された放射源8からの光は、切換可能偏光要素11、反射偏光手段12、レンズ13を介して第一目標3aに放射される。目標3aは、目標を代表していて、目標一つの場合に限定していない。目標3aに反射された後、光はレンズ13で集められて、信号処理のために二色性ミラー要素14、反射偏光手段12を介して、受信器15に送られる。受信器15の信号は推算電子部10により処理され、距離が記憶される。切換可能偏光要素11により、放射源8から発射された光の一部は直接受信器15に送られて、システム較正に適切な内部基準システムが使われる。レンズ13は送受信レンズとして使用され、二つのレンズが2軸に配置されても良い。   FIG. 18 illustrates a theodolite telescope as an example of a geometer according to the present invention and comprises a device according to the present invention. The light from the radiation source 8 disposed on the support member 9 common to the estimation electronic unit 10 is radiated to the first target 3 a via the switchable polarization element 11, the reflective polarization means 12, and the lens 13. The target 3a represents the target and is not limited to a single target. After being reflected by the target 3a, the light is collected by the lens 13 and sent to the receiver 15 via the dichroic mirror element 14 and the reflective polarization means 12 for signal processing. The signal from the receiver 15 is processed by the estimation electronics 10 and the distance is stored. By means of the switchable polarization element 11, a part of the light emitted from the radiation source 8 is sent directly to the receiver 15 and an internal reference system suitable for system calibration is used. The lens 13 may be used as a transmission / reception lens, and two lenses may be arranged on two axes.

信号処理手段に加えて、経緯儀望遠鏡は、目視光システムを具えて、観察者(人間)が、使用可能な、第一目標3aから反射して戻る光を提供する。焦点部材16と接眼部材17は異なった要素を有し、例えば逆さプリズムであり、この目的に使用される。   In addition to the signal processing means, the theodolite telescope comprises a visual light system to provide light reflected back from the first target 3a that can be used by an observer (human). The focus member 16 and the eyepiece member 17 have different elements, for example, inverted prisms, which are used for this purpose.

図19は、本発明によるデバイスを有する経緯儀の望遠鏡を図示し、自動焦点用の付加デバイスを有している。この実施例は、原理的には図18と同様な設計であり、推算電子部10により制御され、焦点部材16を自動調整する調整部材18を具えている。   FIG. 19 illustrates a theodolite telescope having a device according to the invention, with an additional device for autofocus. This embodiment is designed in principle in the same manner as in FIG. 18, and includes an adjusting member 18 that is controlled by the estimation electronic unit 10 and automatically adjusts the focusing member 16.

経緯儀望遠鏡の別の実施例が、図20に図示されていて、本発明によるデバイスを有し、ビーム路の他の具体例である。光は、推算電子部10と共に共通支持部材9上に配置された放射源8から発射され、反射偏光手段12に達する。反射偏光手段12は光の一部を偏倚させて、ビームスプリッター19を介して、直接受信器15と、レンズ13、従って少なくとも一つの目標3aとの両方に送る。反射の後、光は再びレンズ13により集光されて、二色性ミラー要素14とビームスプリッター19を介して受信器15に、信号処理のために送られる。受信器15の信号は、推算電子部10により処理されて、距離データが得られる。内部基準距離はビームスプリッター19により提供される。この場合に、システム較正が、外部目標物の距離測定と同時に実施される。   Another embodiment of the theodolite telescope is illustrated in FIG. 20 and is another embodiment of a beam path having a device according to the present invention. The light is emitted from the radiation source 8 disposed on the common support member 9 together with the estimation electronic unit 10 and reaches the reflection polarization means 12. The reflective polarization means 12 deflects a portion of the light and sends it directly via the beam splitter 19 to both the receiver 15 and the lens 13 and thus at least one target 3a. After reflection, the light is again collected by the lens 13 and sent to the receiver 15 via the dichroic mirror element 14 and the beam splitter 19 for signal processing. The signal of the receiver 15 is processed by the estimation electronic unit 10 to obtain distance data. The internal reference distance is provided by the beam splitter 19. In this case, the system calibration is performed simultaneously with the distance measurement of the external target.

図21は、本発明によるデバイスを有するスキャナを図解して例示している。三次元像を記憶するために、推算電子部10’と共に共通支持部材9’にハウシング内に配置された放射源8からの光が、ビームスプリッター19’、レンズ13’と組合わされた反射偏光手段12、12’を介して、記録すべき目標物に送られる。この図では、この目標物は色々な面の構造を有して、第一目標3aで代表させている。   FIG. 21 illustrates schematically a scanner having a device according to the invention. In order to store the three-dimensional image, the light from the radiation source 8 arranged in the housing with the estimation electronic unit 10 ′ in the common support member 9 ′ is reflected polarization means combined with the beam splitter 19 ′ and the lens 13 ′. 12 and 12 'to the target to be recorded. In this figure, this target has various surface structures and is represented by the first target 3a.

反射の後、光はレンズ13’により集光され、二色性ミラー要素14’を介して受信器15に送られる。特別な測定状況では、測距光の一部は、二色性ミラー要素14’を介してイメージセンサ20に送られる。受信器15の信号は、推算電子部10’で処理され、距離データが得られる。二色性ミラー要素14’とイメージセンサとの間に焦点部材16が配置され、そこに図19と同様な方法で調整要素が設けられ、自動的に調整される。イメージセンサで検知された測定内容はこのように鋭く焦点化される。   After reflection, the light is collected by the lens 13 'and sent to the receiver 15 via the dichroic mirror element 14'. In special measurement situations, part of the ranging light is sent to the image sensor 20 via the dichroic mirror element 14 '. The signal of the receiver 15 is processed by the estimation electronic unit 10 'to obtain distance data. A focusing member 16 is disposed between the dichroic mirror element 14 ′ and the image sensor, and an adjusting element is provided in the same manner as in FIG. 19 and is automatically adjusted. The measurement content detected by the image sensor is thus sharply focused.

ビームスプリッター19’により、放射源8から発射された光の一部は、直接受信器15に送られて、この実施例でもまたシステム較正の為に適切な内部基準距離を得る。   Due to the beam splitter 19 ', a part of the light emitted from the radiation source 8 is sent directly to the receiver 15 to obtain an appropriate internal reference distance for system calibration in this embodiment as well.

走査光ビームの制御と方向付けは、全体装置を枢動させて発射方向を変える公知の方法で実現される。この例では、全体装置の動きは、明白に例示されていて、例えば、内部調整要素又はビーム補正光要素を有する。この例では、全体装置は、水平軸HAと鉛直軸VAの周りに枢動するように取りつけられて、全体測定領域に対する走査能力は、水平・鉛直枢動動作の組合せで広げられる。   Control and orientation of the scanning light beam is accomplished in a known manner that pivots the entire device to change the firing direction. In this example, the movement of the overall device is clearly illustrated, for example with an internal adjustment element or a beam correction light element. In this example, the entire device is mounted to pivot about a horizontal axis HA and a vertical axis VA, and the scanning capability for the entire measurement area is expanded by a combination of horizontal and vertical pivoting operations.

図22は、本発明によるデバイスを有する二軸遠隔測定装置を図示している。内部光路は、同時較正のために切換が自由である。推算電子部10”と共に共通支持部材9”に配置された放射源8からの光は、伝送ビームとして発射され、光送信デバイス22を介して出口窓21を通り目標3aに送られる。反射の後、この光は、レンズ13”により集光されて、受信器15に信号処理のために送られる。受信器15の信号は、推算電子部10”により処理されて、距離データが得られる。送信ビームの一部は、出口窓21により反射されて、二軸に配置された受信器15に当たる。反射の位置と強さは、適切な表面処理、例えば、出口窓21の上塗、又は反射要素23の適用により、決まる。   FIG. 22 illustrates a two-axis telemetry apparatus having a device according to the present invention. The internal optical path can be switched freely for simultaneous calibration. The light from the radiation source 8 arranged on the common support member 9 ″ together with the estimation electronics 10 ″ is emitted as a transmission beam and is sent to the target 3 a through the light transmission device 22 through the exit window 21. After reflection, this light is collected by the lens 13 "and sent to the receiver 15 for signal processing. The signal of the receiver 15 is processed by the estimation electronics 10" to obtain distance data. It is done. A part of the transmission beam is reflected by the exit window 21 and hits the receiver 15 arranged in two axes. The position and intensity of the reflection is determined by a suitable surface treatment, such as the top coating of the exit window 21 or the application of the reflective element 23.

図1a、1bは、従来技術によるパルス測定方法の原理を図解する図である。1a and 1b are diagrams illustrating the principle of a pulse measuring method according to the prior art. 図2a、2bは、従来技術による位相測定方法の原理を示す図である。2a and 2b are diagrams illustrating the principle of a phase measurement method according to the prior art. 従来技術による位相計のブロック図である。It is a block diagram of the phase meter by a prior art. 本発明によるシステム解析測定方法の原理を示す概要図であり、複数の目標物を有する。It is a schematic diagram which shows the principle of the system analysis measurement method by this invention, and has a some target object. 図5a、5bは、本発明によるそのシステム解析測定方法の一例の原理を示す図である。5a and 5b are diagrams illustrating the principle of an example of the system analysis measurement method according to the present invention. 図6a、6bは、本発明によるその方法のシステムのための入力及び出力量を例示している。Figures 6a and 6b illustrate the input and output quantities for the system of the method according to the invention. 本発明によるその方法のシステムモデルを示し、種々の部分システムと組合わされている。Fig. 4 shows a system model of the method according to the invention, combined with various partial systems. システム解析のための適切な伝送信号例を示している。An example of an appropriate transmission signal for system analysis is shown. 全伝送信号の全体量の適切なスペクトル分布例を示している。The example of suitable spectrum distribution of the whole quantity of all the transmission signals is shown. 全伝送信号の全体量のスペクトル分布の他の例である、バンドパスを制限した分離周波数を示している。The separation frequency which restricted the band pass which is another example of the spectrum distribution of the whole quantity of all the transmission signals is shown. 全伝送信号の全体量のスペクトル分布の他の例であり、2セットの分離周波数を示し、各セットで異なった等間隔位置にある。It is another example of the spectral distribution of the total amount of all transmitted signals, showing two sets of separation frequencies, each set being at a different equidistant position. 時間信号を例示していて、スペクトルの対数等間隔システム解析のIFT(逆フーリエ変換)の実部である。It illustrates a time signal and is the real part of an IFT (Inverse Fourier Transform) of logarithmic equidistant system analysis of the spectrum. 時間信号を例示していて、スペクトルの等間隔システム解析のIFT(包絡線)の振幅を示している。An example of a time signal shows the amplitude of an IFT (envelope) for equidistant system analysis of the spectrum. 二つの時間信号を例示していて、二つのスペクトルの等間隔周波数のセットのIFTの振幅を示している。Two time signals are illustrated, showing the IFT amplitude of a set of equally spaced frequencies of two spectra. パワー信号を例示していて、二つのスペクトルの等間隔周波数セットのIFTを示し、二つの反射が相違する目標物を示す。Illustrating a power signal, showing an IFT of two equally spaced frequency sets of two spectra, showing two different reflection targets. 本発明によるデバイスのためのブロック図を示し、ヘテロダインミクサーを有する。1 shows a block diagram for a device according to the invention, having a heterodyne mixer. 本発明によるデバイスのためのブロック図を示し、ヘテロダインミクサーを有し、周波数の選択の柔軟性を向上させている。A block diagram for a device according to the invention is shown, having a heterodyne mixer, improving the flexibility of frequency selection. 本発明によるデバイスを具えた経緯儀望遠鏡の説明図であり、本発明による地理測定器の例である。1 is an illustration of a theodolite telescope comprising a device according to the present invention, and is an example of a geometer according to the present invention. 本発明によるデバイスを具えた経緯儀望遠鏡の説明図であり、自動焦点制御を追加使用している。FIG. 2 is an illustration of a theodolite telescope with a device according to the invention, additionally using automatic focus control. 本発明によるデバイスを具えた経緯儀望遠鏡の説明図であり、同時較正のための切換自由の内部光路を有する。1 is an illustration of a theodolite telescope comprising a device according to the invention, having a switchable internal optical path for simultaneous calibration. 本発明によるスキャナの説明図であり、本発明によるデバイスを具えている。Fig. 2 is an illustration of a scanner according to the invention, comprising a device according to the invention. 本発明によるデバイスを具えた二軸望遠鏡の説明図であり、同時較正のための切換自由の内部光路を有する。FIG. 2 is an illustration of a biaxial telescope with a device according to the invention, having a switchable internal optical path for simultaneous calibration.

符号の説明Explanation of symbols

1、1’、1” 送信器
2、2’、2” 光パルス
3 目標(リフレクタ)
3a、3b 目標
4、4’4” 受信器
5、5’ システム応答
6、6’ 時間信号
7 LTIシステム
8 放射源
9、9’、9” 支持部材
10、10’、10” 推算電子部
11 偏光要素
12、12’ 反射偏光手段
13、13’、13” レンズ
14、14’ 二色性ミラー要素
15 受信器
16 焦点部材
17 接眼部材
19、19’ ビームスプリッター
20 イメージセンサ
21 出口窓
22 光送信システム
23 反射要素
1, 1 ', 1 "Transmitter 2, 2', 2" Light pulse 3 Target (reflector)
3a, 3b Target 4, 4'4 "Receiver 5, 5 'System response 6, 6' Time signal 7 LTI system 8 Radiation source 9, 9 ', 9" Support member 10, 10', 10 "Estimation electronics 11 Polarizing element 12, 12 'Reflective polarizing means 13, 13', 13 "Lens 14, 14 'Dichroic mirror element 15 Receiver 16 Focus member 17 Eyepiece member 19, 19' Beam splitter 20 Image sensor 21 Exit window 22 Optical transmission System 23 reflective element

Claims (50)

測地距離データを得るための方法であって、
MHz〜GHz領域の少なくとも二つの変調周波数を発生する信号発生器を具備し、
伝送システム(7)を具備し、
該伝送システムは、伝送システム入力部と、光放射源(8)と、単又は複数の目標物(3、3a、3b)と、伝送システム出力部を有する受信器(4、4’、4")とを具え、
推算電子部(10、10’、10")を具備し、
前記方法は、
前記信号発生器から、少なくとも二つの変調周波数を有する、少なくとも一つの励起信号を、該伝送システム入力部に印加して、該伝送システム(7)を励起する工程と、
該伝送システム出力部で少なくとも一つのシステム応答(5、5’)を、アナログ/デジタル変換器を使用してスキャンして、記録する工程と、
該少なくとも一つのシステム応答(5、5’)の信号波形から該推算電子部(10、10’、10")により少なくとも一つの距離データを得る工程とを具え、
該少なくとも一つの距離データを得る時に、
該少なくとも一つのシステム応答(5、5’)の信号波形の少なくとも一部、
および、
該少なくとも一つのシステム応答(5、5’)の信号波形の時間的構成から、
該距離データを得る、
更に、該少なくとも一つの距離データを得る時に
前記少なくとも1つの伝送システム応答から評価される前記伝送システムの伝達関数に従って、前記少なくとも一つの距離データが決定される、
ことを特徴とする上記方法。
A method for obtaining geodetic distance data,
Comprising a signal generator for generating at least two modulation frequencies in the MHz to GHz range;
A transmission system (7),
The transmission system comprises a receiver (4, 4 ', 4 ") having a transmission system input, an optical radiation source (8), a single or a plurality of targets (3, 3a, 3b) and a transmission system output. )
The estimation electronics (10, 10 ', 10 ")
The method
Applying at least one excitation signal having at least two modulation frequencies from the signal generator to the transmission system input to excite the transmission system (7);
Scanning and recording at least one system response (5, 5 ') at the transmission system output using an analog to digital converter;
Obtaining at least one distance data from the signal waveform of the at least one system response (5, 5 ') by the estimation electronics (10, 10', 10 "),
When obtaining the at least one distance data,
At least part of the signal waveform of the at least one system response (5, 5 ');
and,
From the temporal composition of the signal waveform of the at least one system response (5, 5 '),
Obtaining the distance data;
Further, when obtaining the at least one distance data, the at least one distance data is determined according to a transfer function of the transmission system evaluated from the at least one transmission system response.
The method as described above.
前記少なくとも2つの変調周波数が、一群の離散変調周波数である、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the at least two modulation frequencies are a group of discrete modulation frequencies. 前記システムが伝送システムである、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the system is a transmission system. 前記距離データが前記伝送システムモデルに従って決定される請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the distance data is determined according to the transmission system model. 前記伝送システムモデルが線形時不変系(LTI)である請求項4記載の方法。   The method of claim 4, wherein the transmission system model is a linear time invariant system (LTI). 周波数領域に於ける、前記少なくとも1つのシステム応答から評価される、前記伝送システムの伝達関数(H(w))に従って、前記距離が決定される、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the distance is determined according to a transfer function (H (w)) of the transmission system evaluated from the at least one system response in a frequency domain. 前記伝送システムモデルは、時間の関数である、すなわち、伝送システムの遅れ時間である、前記励起信号に対するシステム応答のずれを表す、少なくとも1つのパラメータを有し、
前記距離データは、前記目標物に行って帰ってくる前記信号の移行時間としての前記遅れ時間に従って決定される、
請求項1記載の方法。
The transmission system model has at least one parameter that represents a deviation in system response to the excitation signal that is a function of time, i.e., a delay time of the transmission system;
The distance data is determined according to the delay time as a transition time of the signal going back to the target.
The method of claim 1.
前記伝送システム応答は、前記伝送システムの入力から出力への振幅および位相の変化を有する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the transmission system response comprises a change in amplitude and phase from an input to an output of the transmission system. 光放射が向かった目標物への移行時間を決定するために、伝送システムの特定化が行われる、または、
少なくとも2つの変調周波数で、前記線形時不変系(LTI)の伝送システムの特定化が行われる、請求項1記載の方法。
A transmission system specification is performed to determine the transition time to the target where the light emission is directed, or
The method of claim 1, wherein the linear time-invariant (LTI) transmission system is specified at at least two modulation frequencies.
前記伝送システム特定化が周波数領域(周波数ドメイン)で行われる、請求項9記載の方法。   The method according to claim 9, wherein the transmission system specification is performed in a frequency domain. 請求項1記載の方法において、
前記少なくとも1つの目標物(3,3a、3b)は、前記光放射の一部を散乱させ、
前記受信器(4,4,4)は、前記受信器出力において、前記散乱した光放射を前記信号に変換する、方法。
The method of claim 1, wherein
The at least one target (3, 3a, 3b) scatters a portion of the light radiation;
Method wherein the receiver (4, 4, 4) converts the scattered light radiation into the signal at the receiver output.
前記信号波形の時間構成は、時間の関数として、励起信号s(t)に対するシステム応答y(t)のずれ(シフト)を有する、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the time structure of the signal waveform has a shift of the system response y (t) with respect to the excitation signal s (t) as a function of time. 前記信号波形の一部は、
信号波形y(t)の最大値、信号波形の基本周波の振幅、波形信号の振幅最大値の半分の振幅のところの波形の幅、および/または、信号波形y(t)のRMSのノイズを有する、請求項1記載の方法。
A part of the signal waveform is
The maximum value of the signal waveform y (t), the amplitude of the fundamental frequency of the signal waveform, the width of the waveform at half the amplitude of the maximum amplitude of the waveform signal, and / or the RMS noise of the signal waveform y (t). The method of claim 1, comprising:
前記伝送システム(7)を励起する間、
前記励起信号は、周波数領域において、複数のスペクトル線を有するように、前記少なくとも一つの励起信号が選択される、請求項1記載の方法。
While exciting the transmission system (7)
The method of claim 1, wherein the at least one excitation signal is selected such that the excitation signal has a plurality of spectral lines in the frequency domain.
前記伝送システム(7)の励起する工程で、前記励起信号は、その周波数範囲において、基本調和スペクトル線と複数のより高い周波数の調和スペクトル線を有するように、前記少なくとも一つの励起信号が選択される、請求項14記載の方法。   In the step of exciting the transmission system (7), the at least one excitation signal is selected such that the excitation signal has a fundamental harmonic spectrum line and a plurality of higher frequency harmonic spectrum lines in its frequency range. 15. The method of claim 14, wherein 前記伝送システム(7)を励起する工程と、前記少なくとも一つのシステム応答を記録する工程と、前記少なくとも一つの距離データを得る工程とが、全体的に又は部分的に少なくとも一度繰り返され、
前記変調周波数は、前記伝送システム(7)を励起する工程で、各繰り返しにおいて変えられる、請求項1〜15の何れかに記載の方法。
Exciting the transmission system (7), recording the at least one system response, and obtaining the at least one distance data are repeated in whole or in part at least once;
The method according to any of the preceding claims, wherein the modulation frequency is changed at each iteration in the step of exciting the transmission system (7).
前記伝送システム(7)を励起する工程で、10MHzより大きい前記変調周波数が適用される、請求項1〜16の何れかに記載の方法。   Method according to any of the preceding claims, wherein in the step of exciting the transmission system (7), the modulation frequency greater than 10 MHz is applied. 前記伝送システム(7)を励起する工程で、時間に関し周期的な前記少なくとも一つの励起信号が発生される、請求項1〜16の何れかに記載の方法。   Method according to any of the preceding claims, wherein in the step of exciting the transmission system (7), the at least one excitation signal that is periodic with respect to time is generated. 前記伝送システム(7)を励起する工程で、前記少なくとも一つの励起信号は、パルス形状であり、該パルス形状は、正弦波、四角形、三角形、ディラックパルス、パルス群、の何れかである、請求項18記載の方法。   In the step of exciting the transmission system (7), the at least one excitation signal has a pulse shape, and the pulse shape is any one of a sine wave, a square, a triangle, a Dirac pulse, and a pulse group. Item 19. The method according to Item 18. 前記伝送システム(7)の励起は、少なくとも二つの励起信号が適用され、その励起信号は互いに繰り返し周波数が異なっている、請求項18又は19記載の方法。   The method according to claim 18 or 19, wherein at least two excitation signals are applied to the excitation of the transmission system (7), the excitation signals having different repetition frequencies. 前記伝送システム(7)を励起する工程で、前記変調周波数は、
等周波数間隔、対数等周波数間隔、
基本的周波数の部分連に対応する周波数間隔、
ヒボナッチ数による周波数の部分連に対応する周波数間隔、
等周波数間隔を有する少なくとも二つの周波数群、
の何れかに従って選択される、請求項1〜20の何れかに記載の方法。
In the step of exciting the transmission system (7), the modulation frequency is
Equal frequency interval, logarithmic equal frequency interval,
A frequency interval corresponding to a partial series of fundamental frequencies,
The frequency interval corresponding to the frequency substring by the Hibonacci number,
At least two frequency groups having equal frequency intervals,
21. The method according to any of claims 1 to 20, wherein the method is selected according to any of the following.
前記少なくとも一つのシステム応答(5、5’)を記録する工程で、システム応答(5、5’)に対応する周波数スペクトルがバンド制限された、請求項1〜21の何れかに記載の方法。   The method according to any of the preceding claims, wherein in the step of recording the at least one system response (5, 5 '), the frequency spectrum corresponding to the system response (5, 5') is band limited. 前記伝送システム入力部に印加される各励起信号について前記伝送システム(7)を励起する時と前記少なくとも一つのシステム応答(5、5’)を記録する時に、該システム応答(5、5’)の走査が実施される、請求項1〜22の何れかに記載の方法。   When exciting the transmission system (7) and recording the at least one system response (5, 5 ') for each excitation signal applied to the transmission system input, the system response (5, 5') 23. A method according to any one of claims 1 to 22, wherein the scanning is performed. 少なくとも一つの距離データを得る工程で、該距離データは、直接その時間領域で、少なくとも二つのシステム応答(5、5’)の信号形状と時間シフトとから推算することにより得られる、請求項1〜23の何れかに記載の方法。   2. The step of obtaining at least one distance data, wherein the distance data is obtained directly by estimation from the signal shape and time shift of at least two system responses (5, 5 ') in the time domain. The method in any one of -23. 少なくとも一つの距離データを得る工程で、周波数領域で該距離データは得られる、請求項1〜24の何れかに記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the step of obtaining at least one distance data obtains the distance data in the frequency domain. 少なくとも一つの距離データを得る工程で、周波数領域で、前記少なくとも一つのシステム応答(5、5’)の時間信号のラプラス又はフーリエ変換に基づいて、該距離データは得られる、請求項25記載の方法。   26. The method according to claim 25, wherein the step of obtaining at least one distance data is based on a Laplace or Fourier transform of a time signal of the at least one system response (5, 5 ') in the frequency domain. Method. 少なくとも一つの距離データを得る工程で、周波数領域で、前記少なくとも一つのシステム応答(5、5’)に、少なくとも一つのノイズ計測による確率・加重法を使用して、該距離データは得られる、請求項25記載の方法。   In the step of obtaining at least one distance data, in the frequency domain, the distance data is obtained by using a probability / weighting method based on at least one noise measurement on the at least one system response (5, 5 '). 26. The method of claim 25. 少なくとも一つの距離データを得る工程で、システム較正が実施される、請求項24〜27いずれかに記載の方法。   28. A method according to any of claims 24 to 27, wherein system calibration is performed in the step of obtaining at least one distance data. 少なくとも一つの距離データを得る工程で、システム較正が、システム内部の光基準距離により、実施される、請求項28記載の方法。   29. The method of claim 28, wherein in the step of obtaining at least one distance data, system calibration is performed according to an optical reference distance within the system. 前記少なくとも一つの距離データは、非線形差引演算法により得られる、請求項24〜29の何れかに記載の方法。   30. The method according to any one of claims 24 to 29, wherein the at least one distance data is obtained by a non-linear subtraction method. 前記少なくとも一つの距離データは、コスト関数のパラメータ最適化法により、得られる、請求項25又は28記載の方法。   The method according to claim 25 or 28, wherein the at least one distance data is obtained by a cost function parameter optimization method. 前記少なくとも一つの距離データは、最大公算推算法を使用したコスト関数のパラメータ最適化法により、得られる、請求項31記載の方法。   32. The method of claim 31, wherein the at least one distance data is obtained by a cost function parameter optimization method using a maximum likelihood estimation method. 少なくとも二つのシステム応答(5、5’)の集合からのデータが考慮され、前記少なくとも一つの距離データは、コスト関数のパラメータ最適化法により、推算される、請求項31記載の方法。   32. The method according to claim 31, wherein data from a set of at least two system responses (5, 5 ') are considered and the at least one distance data is estimated by a cost function parameter optimization method. システム応答(5、5’)のデータが、各ケースで考慮され、前記コスト関数で推算される、請求項31記載の方法。   32. The method of claim 31, wherein system response (5, 5 ') data is considered in each case and estimated with the cost function. 少なくとも一つの距離データを得る工程で、周波数領域で前記少なくとも一つのシステム応答(5、5’)の変換と、引き続く時間領域で時間信号(6、6’)の構築との後、逆変換して該距離データは得られる、請求項1〜34の何れかに記載の方法。   Obtaining at least one distance data, transforming said at least one system response (5, 5 ') in the frequency domain and constructing a time signal (6, 6') in the subsequent time domain, and then performing an inverse transform. The method according to claim 1, wherein the distance data is obtained. 前記周波数領域で、少なくとも二つのシステム応答(5、5’)が統合されて集合とされ、それにより、前記時間領域で時間信号(6、6’)が構築される、請求項35記載の方法。   36. Method according to claim 35, wherein in the frequency domain at least two system responses (5, 5 ') are integrated into a set, whereby a time signal (6, 6') is constructed in the time domain. . 前記周波数領域で、等間隔複合スペクトル線の第一群が統合されて、前記時間領域で第一時間信号(6、6’)が構築され、及び、等間隔複合スペクトル線の第二群が統合されて、前記時間領域で第二時間信号(6、6’)が構築される、請求項35記載の方法。   In the frequency domain, a first group of equidistant composite spectral lines is integrated to form a first time signal (6, 6 ') in the time domain, and a second group of equidistant composite spectral lines is integrated. 36. The method of claim 35, wherein a second time signal (6, 6 ') is constructed in the time domain. 距離を測定するための装置であって、
(a)励起のための、MHz〜GHz領域の少なくとも2つの変調周波数を発生する信号発生器を具備し、
(b)伝送システムを具備し、該伝送システムは、伝送システム入力部と、
少なくとも一つの目標物(3、3a、3b)に向かって光を放射するための光放射源(8)と、前記少なくとも一つの目標物(3、3a、3b)は前記光放射の一部を散乱させる対象である、
前記後方散乱させた光放射を電気信号に変換して、伝送システム応答を提供する、伝送システム出力部を有する受信器(15)とを有し、
(c)前記少なくとも1つの伝送システム応答の波形から、少なくとも距離データを抽出するために、アナログ/デジタル変換器によって、前記伝送システム出力部で、少なくとも一つのシステム応答を記録するための推算電子部(10、10’、10")を具備し、
なお、該信号発生器は、少なくとも一つの直接ディジタルシンセサイザ又はフラクショナルNシンセサイザを有し、
さらに、前記推算電子部は、前記少なくとも1つのシステム応答の波形の一部、または、前記少なくとも1つのシステム応答の波形の時間構成から、距離データを抽出する、
更に、該距離データを抽出する時に
前記少なくとも1つの伝送システム応答から評価される前記伝送システムの伝達関数に従って、前記距離データが決定する、
ように構成されている、
距離を測定するための装置。
A device for measuring distance,
(A) comprising a signal generator for generating at least two modulation frequencies in the MHz to GHz range for excitation;
(B) comprising a transmission system, the transmission system comprising: a transmission system input unit;
A light emission source (8) for emitting light towards at least one target (3, 3a, 3b), and said at least one target (3, 3a, 3b) The object to be scattered,
A receiver (15) having a transmission system output that converts the backscattered light radiation into an electrical signal and provides a transmission system response;
(C) Estimation electronics for recording at least one system response at the transmission system output by an analog / digital converter to extract at least distance data from the waveform of the at least one transmission system response (10, 10 ', 10 ")
The signal generator has at least one direct digital synthesizer or fractional N synthesizer,
Further, the estimation electronic unit extracts distance data from a part of the waveform of the at least one system response or a time structure of the waveform of the at least one system response.
Further, the distance data is determined according to a transfer function of the transmission system evaluated from the at least one transmission system response when the distance data is extracted.
Configured as
A device for measuring distance.
前記伝送システムは、時間の関数である、すなわち、伝送システムの遅れ時間である、前記励起信号に対するシステム応答のずれを表す、少なくとも1つのパラメータを有し、
前記距離データは、前記目標物に行って帰ってくる前記光放射の移行時間としての前記遅れ時間に従って決定される、請求項38記載の装置。
The transmission system has at least one parameter representing a deviation of the system response to the excitation signal, which is a function of time, i.e. a delay time of the transmission system;
39. The apparatus of claim 38, wherein the distance data is determined according to the delay time as a transition time of the light radiation coming back to the target.
前記信号発生器の上流に、水晶マスター発振器が接続された、請求項38または39記載の装置。   40. The apparatus according to claim 38 or 39, wherein a crystal master oscillator is connected upstream of the signal generator. 前記信号発生器に、前記変調周波数の迅速切換及びフィルタのための電子周波数変換器が接続されている、請求項38〜40の何れかに記載の装置。   41. The apparatus according to any of claims 38 to 40, wherein an electronic frequency converter for quick switching and filtering of the modulation frequency is connected to the signal generator. 前記電子周波数変換器は、周波数分割器と周波数増幅器と周波数切換器を有するASICとして構成されている、請求項41記載の装置。   42. The apparatus of claim 41, wherein the electronic frequency converter is configured as an ASIC having a frequency divider, a frequency amplifier, and a frequency switch. 前記信号発生器には、ヘテロダイン信号の受信のための混合周波数を発生する電圧制御発振器によるトラック同期が適用統合された、請求項38〜42の何れかに記載の装置。   43. Apparatus according to any of claims 38 to 42, wherein the signal generator is integrated with track synchronization by a voltage controlled oscillator that generates a mixed frequency for reception of a heterodyne signal. 前記信号発生器は、約10MHzの変調周波数を発生するように構成された、請求項38〜43の何れかに記載の装置。   44. Apparatus according to any of claims 38 to 43, wherein the signal generator is configured to generate a modulation frequency of about 10 MHz. 調節可能な低域又は帯域フィルタを前記伝送システム出力部の受信側に具備した、請求項38〜43の何れかに記載の装置。   44. Apparatus according to any of claims 38 to 43, comprising an adjustable low-pass or bandpass filter on the receiving side of the transmission system output. 請求項38〜45の何れかに記載の装置を有する地理測定器であって、該地理測定器は、特に、経緯儀であり、一つ又は複数の目標物(3、3a、3b)を同時に距離測定が可能である、上記地理測定器。   46. A geometer comprising the device according to any of claims 38 to 45, in particular the geometer, which is a theodolite, which simultaneously loads one or more objects (3, 3a, 3b). The above geographical measuring device capable of measuring distance. 請求項46記載の地理測定器が、経緯儀である、上記地理測定器。   49. A geometer as claimed in claim 46, wherein the geometer is a theodolite. 内部基準距離を得るために、前記地理測定器の内部に反射部材(3)が設けられている、請求項46または47記載の地理測定器。   48. Geographic instrument according to claim 46 or 47, wherein a reflective member (3) is provided inside the geometer to obtain an internal reference distance. 前記反射部材(3)が、前記光放射源(8)と調和する出口窓(21)の内側に施された反射する上塗りである、請求項48記載の地理測定器。   49. A geometer according to claim 48, wherein the reflective member (3) is a reflective overcoat applied to the inside of an exit window (21) that matches the light source (8). 請求項38〜45の何れかに記載の装置を有するスキャナであって、該スキャナが三次元像を走査して記録する、上記スキャナ。   46. A scanner comprising the apparatus according to any one of claims 38 to 45, wherein the scanner scans and records a three-dimensional image.
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